２０１９年度

神戸大学先端融合研究環
統合研究領域
実績報告書

神戸大学先端融合研究環

目

次＜研究プロジェクトの名称＞○統合バイオリファイナリー研究プロジェクト・・・・・・・・・・・

１○先端膜工学研究プロジェクト・・・・・・・・・・・・・・・・・・ １６○構造ベース創薬研究プロジェクト・・・・・・・・・・・・・・・・ ３０○国際健康学研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ３６○惑星科学国際教育研究プロジェクト・・・・・・・・・・・・・・・ ３９○次世代サブサーフェスイメージングシステム・・・・・・・・・・・ ５０○マルチスケール計算生物学研究プロジェクト・・・・・・・・・・・ ５６○計算科学・計算機工学研究プロジェクト・・・・・・・・・・・・・ ６１○神経回路網シミュレーションモデル研究プロジェクト・・・・・・・ ６８○計算科学研究センター（R-CCS）共同研究 ・・・・・・・・・・・・ ７４

別紙１
様式（年次報告書）
令和

２年

５月

８日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 統合バイオリファイナリー研究
部局・専攻・氏名 科学技術イノベーション研究科・近藤昭彦

研究代表者

外 部 資 金

科学研究費補助金

133,350 千円，

受託研究経費665,502 千円

獲 得 実 績奨学寄附金

49,094 千円，共同研究経費129,447 千円

特許出願件数

7 件，

論文発表件数

81 件，

著書数

4件

２．構成員とその役割分担
氏
近藤

昭彦

吉田

健一

名

部局・専攻

役

科学技術イノベーション研究科

割

分

担

総括

科学技術イノベーション研究科・科学技 グラム陽性菌の細胞工場開発
術イノベーション専攻

荻野

千秋

工学研究科・応用化学専攻

バイオマス前処理、微生物育種蓮沼誠久

科学技術イノベーション研究科

バイオマス前処理、微生物育種

山地

秀樹

工学研究科・応用化学専攻

バイオプロセス

西野孝

工学研究科・応用化学専攻

バイオマテリアル評価

森敦紀

先端膜工学研究センター・膜材料
合成化学研究部門

バイオマス材料の化学変換
バイオ生産物精製用多孔膜の設松山秀人

工学研究科・応用化学専攻

大村直人

工学研究科・応用化学専攻

バイオマス前処理、撹拌操作

西山

覚

工学研究科・応用化学専攻

MOF を用いた水素移行反応評価田中勉

工学研究科・応用化学専攻

微生物育種

丸山

達生

工学研究科・応用化学専攻

1

計

生物資源を用いたバイオマテリ
アル創製バイオ生産物精製用多孔膜の作

神尾英治

工学研究科・応用化学専攻

石井純

科学技術イノベーション研究科

微生物細胞工場の開発

石川周

科学技術イノベーション研究科

微生物細胞工場の開発

芦田均

農学研究科・生命機能科学専攻

大澤朗

農学研究科・生命機能科学専攻

水野雅史

農学研究科・生命機能科学専攻

今石浩正

バイオシグナル総合研究センター

バイオテクノロジー

金丸

研吾

農学研究科・生命機能科学専攻

植物バイオマスリソース

山崎将紀

農学研究科・資源生命科学専攻

バイオマス利用のイネ遺伝育種

橋本堂史

農学研究科・生命機能科学専攻

宅見薫雄

農学研究科・生命機能科学専攻

上曽山博

農学研究科・資源生命科学専攻

製酵素合成グリコーゲンの機能性評価
腸管内の食品因子と細菌叢の動態
腸管を介した食品因子の生理機
能

非栄養素の体内動態と機能性評
価バイオマス資源としてのコムギ
育種
酵素合成グリコーゲンの機能性
評価

竹中

慎治

農学研究科・生命機能科学専攻

本田和久

農学研究科・資源生命科学専攻

富永圭介

分子フォトサイエンス研究センター

新規微生物酵素の検索と特性解析
酵素合成グリコーゲンの機能性評価
先端的分光計測手法を用いた、バ
イオプロダクション関連分子の測定
先端計測法によるソフト界面の大西洋

理学研究科・化学専攻

三村徹郎

理学研究科・生物学専攻

植物材料作成支援、生理解析支援

理学研究科・化学専攻

分離・反応プロセス

理学研究科・化学専攻

光合成初期過程の精密観測

林

秋本

昌彦

誠志

計測評価

2

吉田

優

医学研究科･医科学専攻

メタボローム解析田中成典

システム情報学研究科・計算科学専攻

生体分子シミュレーション

西田敬二

科学技術イノベーション研究科

ゲノム編集

柘植

謙爾

科学技術イノベーション研究科

ゲノム合成

建吾

科学技術イノベーション研究科

ヒト腸内細菌叢モデルの評価

洋一郎

科学技術イノベーション研究科

微生物細胞工場の開発

大介

科学技術イノベーション研究科

代謝機構の解析健太郎

科学技術イノベーション研究科

バイオマス前処理、微生物育種

佐々木

伊藤
佐々木

猪熊

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３．研究成果の概要等について
本拠点では、バイオマス育種を含めた資源の有効活用技術を開発し、それらを用いて微生物によって目的物質を発酵生産する技術を開発する。続いてその下流の化学合成や分離精製、物質の安全性評価に至る、バイオリファイナリーを統合的な確立を行っている。
以下に、各研究者及び研究グループの研究成果の概要を示す。
【蓮沼誠久】微細藻類やシアノバクテリアを利用したバイオモノマー生産や機
能性物質生産に関する技術開発に取り組んだ。また、微生物の物質生産能力を短期間で向上させるための方法論の開発に取り組んだ。
【西田敬二】切らないゲノム編集技術としてより応用性を高めるため、特にオ
フターゲット効果を低減した改良を行うべく、タンパク質工学的手法により改変候補を作成、有望な候補を試験して絞り込んだ。
【 田 中 勉 】バイオリファイナリーで重要な微生物の育種を行った。大腸菌、コリネ型細菌、酵母における代謝工学及び表層工学技術を構築し、物質生産に成功した。
【山地秀樹】バイオリファイナリーにおける利用を視野に入れ、微生物細胞や昆虫細胞を用いた有用物質の高生産技術・プロセスの開発に取り組んでいる。
本 年 度 は 、昆 虫 細 胞 に お け る 2A ペ プ チ ド を 用 い た 抗 体 Fab フ ラ グ メ ン ト の 生 産に つ い て 検 討 し た 。 porcine teschovirus-1 由 来 の 2A ペ プ チ ド の DNA を 用 い る こと に よ り 、 単 一 の オ ー プ ン リ ー デ ィ ン グ フ レ ー ム か ら 抗 原 結 合 活 性 の あ る Fab
フラグメントを分泌生産することに成功した。
【森敦紀】バイオマス由来の糖類から容易に変換可能である物質、フルフラー
ルを原料としてポリアミドの合成に成功した。遷移金属触媒を用いるカップリ
ング反応を利用することで得られるフラン化合物の二量体をモノマーとし、種々の１、ω－ジアミンと重縮合し、フラン系ポリエステルに比べ高融点な高分子を得た。また、フラン誘導体とベンザインを反応させることでバイオ由来のフラン骨格を、石油由来のナフタレン骨格へと変換する方法を開発した。
【丸山達生】バイオセンサー開発を念頭に、天然資源由来であるセルロース材
料の表面機能化を検討した。セルロース表面に合成高分子を薄く塗布すること
で、セルロースの吸水性や軽量性を失うことなくその表面を機能化可能である
こ と を 実 証 し た 。 具 体 的 に は 、 タ ン パ ク 質 等 の 非 特 異 吸 着 を 抑 制 し （ 防 汚 性 ）、目的の機能性分子を共有結合を介してセルロース表面に固定化することに成功した。これにより安価、軽量であるセルロース材料をワンステップでバイオセンサーに変換することに成功した。
【神尾英治】バイオプロセスにより生産された有用物質を培養液から効率良く分離回収するため、或いはバイオプロセス用培養培地成分の精製のため、チタ
ニア・ジルコニア複合ナノろ過膜、ニオブ酸・酸化グラフェン複合ナノシート
膜の２種類の無機ナノろ過膜の開発を行った。無機ナノろ過膜は、従来の有機ナノろ過膜と比べ、分画分子量がシャープで、耐薬品性、耐溶剤性に優れるため、特にアルコールやバイオディーゼル（脂肪酸およびそのエステル）の分離
精製への応用が期待される。各種溶剤中での透過性、選択性の評価を行い、分子篩効果と膜細孔表面での相互作用に基づく透過機構を明らかにした。
【 芦 田 均 】ESG の 新 た な 機 能 性 と し て 、3,000-8,000 kDa の ESG は 、正 常 ヒ ト 角
化 細 胞 に お い て 、都 市 大 気 粉 塵 (PM2.5) に よ る 炎 症 を 抑 制 す る こ と を 明 ら か にし た 。作 用 機 序 を 検 討 し た 結 果 、ESG が 転 写 因 子 Nrf2 を 活 性 化 す る こ と で 抗 酸
化 酵 素 の 発 現 を 増 加 さ せ 、 PM2.5 に よ る 活 性 酸 素 種 の 増 加 を 抑 制 す る こ と を 明
ら か に し た 。 こ れ ら の こ と か ら 、 ESG は 皮 膚 に お け る 酸 化 ス ト レ ス や 炎 症 を 抑制する化粧品素材としての利用も期待される。
【 吉 田 健 一 】枯草菌のイノシトール分解系遺伝子群の選択的な活用により、米ぬかなど
安価な農業副産物よりアルツハイマー病の予防・治療に適応があるシロ-イノシトールを生産する細胞工場の開発を進め、当該研究に関する総説論文を著した。加えて、結核菌のミオ－イノシトール 1 リン酸合成酵素を枯草菌内で機能させることによりグルコースからシロ-イノシトールを生産する細胞工場を実現し、研究論文を公表した。一方、グラム陽性菌の接合伝達について、その原理の解明ならびに応用を英国ニューカッスルとの共同研究により進めた。特に、接合伝達の数理モデル化および化学量論的な考察について大きく前進をみた。さらに、オランダ・フローニンゲン大学との共同により、枯草菌の細胞工場化に関する総説論文を作成した。
【 大 澤 朗 】 日 本 人 潰 瘍 性 大 腸 炎 （ UC） 患 者 12 名 と 健 常 者 12 名 よ り 糞 便 検 体 を

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採 取 し 、神 戸 大 学 ヒ ト 腸 内 細 菌 叢 モ デ ル（ KUHIMM）に て 30 時 間 の 培 養 を 行 った 。高 速 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー に よ り 培 養 液 中 の 短 鎖 脂 肪 酸 濃 度 を 測 定 し た 。
そ の 結 果 米 国 人 UC 患 者 を 対 象 と し た 同 様 の 試 験 と は 対 照 的 に 日 本 人 の UC 患 者
で は 、 Faecalibacterium 属 で は な く 、 Roseburia 属 に 関 連 す る but が 減 少 す る こ と
観 察 さ れ 、こ れ に よ っ て 酪 酸 量 の 低 減 が 引 き 起 さ れ る と い う 異 な る UC 病 態 像 が示 唆 さ れ た 。 こ の 傾 向 は 糞 便 お よ び KUHIMM に 共 通 し て 認 め ら れ た こ と か ら 、
KUHIMM が UC に お け る 特 徴 的 遺 伝 子 動 態 も 再 現 で き る と い う 有 用 性 も 確 認 された。
【水野雅史】褐藻類に含まれる食物繊維フコイダンの抗アレルギー効果
肥 満 細 胞 の 活 性 化 に よ る ア レ ル ギ ー 症 状 の 指 標 と し て 、直 腸 温 度 を OVA 投 与 の10 分 後 か ら 90 分 間 測 定 し た 。そ の 結 果 、OVA コ ン ト ロ ー ル 群 で は OVA 投 与 後
か ら 直 腸 温 度 が 低 下 し 始 め 、 最 大 5.6℃ 低 下 し 、 40 分 を ピ ー ク と し て 回 復 し た 。
一 方 で F-フ コ イ ダ ン を 投 与 し た 場 合 、 最 大 3.7℃ 低 下 し 、 30 分 を ピ ー ク と し て回 復 し て お り 、F-フ コ イ ダ ン に よ る 体 温 低 下 の 緩 和 が 確 認 さ れ 、フ コ イ ダ ン に はアレルギー抑制効果があることを明らかにした。
【 今 石 浩 正 】P450 酵素を用いた新たなバイオマーカーを開発し、それらを知財化した。
【金丸研吾】植物バイオマスの増産、とくに地球温暖化の影響下での農業に貢献する生育促進・環境ストレス耐性向上効果のある特定化合物について、ストレス＋投与時の遺伝子発現動態への影響と、駆動する系の酵素活性、代謝変動をモデル植物で生化学的に解析し、その有用性を確認した。
【宅見薫雄】コムギ近縁野生種の有用遺伝子の育種利用について研究を進めている。今年度は近縁２倍体種タルホコムギの持つ早生性を日本のエリートパン
コムギ品種に導入した。また環境ストレス耐性や種子休眠性で重要な植物ホル
モンアブシジン酸に対する反応性遺伝子の対立遺伝子の違いによるトランスク
リプトームに対する影響を調査した。
【富永圭介】前年度に引き続き、松山グループの共同研究として、生体適合性
ポ リ マ ー で あ る 、MPC ポ リ マ ー の 脱 水 和 状 態 と 水 和 状 態 で 、サ ブ GHz か ら THz
帯 の 広 帯 域 誘 電 分 光 の 測 定 を 、温 度 を 変 化 さ せ て（ -40℃ ～ 20℃ ）測 定 を 行 っ た 。
サ ブ GHz か ら GHz 帯 の 複 素 誘 電 率 を 測 定 す る た め の 装 置 、ベ ク ト ル ネ ッ ト ワ ー
クアナライザの試料ホルダー部分を改良し、より精度よくこの帯域の複素伝導率の温度変化を測定できるようにした。松山グループでホスホコリン基の密度を 減 少 さ せ た MPC ポ リ マ ー を 合 成 し て い た だ い た 。今 後 、こ の ポ リ マ ー に つ いての測定を行う予定である。
【 大 西 洋 】 島津製作所が上市した SPM-8000FM 顕微鏡装置は JST 産学イノベーション加速事業【先端計測分析技術・機器開発】（2005-2010 年）の成果であり、カンチレバー振動共振のQ 値が低い液中環境において世界最高の力分解能（10 ピコニュートン）を発揮する原子間力顕微鏡である。当該顕微鏡を用いてスクロース結晶・潤滑油界面・酸化チタン結晶・グラファイト・コ
ロイド溶液に関連した界面の力学応答を 0.1 nm の空間分解能と 10 ピコニュートンの力分解能で実験計測し、統計力学的に解釈するノウハウを収集した。
【 秋 本 誠 志 】我 々 は 、以 前 に 、陸 上 植 物 シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ の 光 化 学 系 I と 光 化 学 系
II が 超 複 合 体 を 構 成 し 、 光 化 学 系 I–光 化 学 系 II 間 励 起 エ ネ ル ギ ー 移 動 が 起 き て
い る こ と を 報 告 し た （ Yokono et al. (2015) Nat. Commun.)。 今 回 は 、 こ の 光 化 学
系 I–光 化 学 系 II 超 複 合 体 が 緑 色 植 物 に 広 く 存 在 し て い る こ と 、 お よ び 超 複 合 体内で起きるエネルギー移動により強光耐性を持つことを明らかにした。さらに
電子顕微鏡を利用して作成した複合体構造モデルの提案を行った。
【佐々木建吾】潰瘍性大腸炎は、大腸に限定されて炎症反応が過剰に進行する発症メカニズム不明の炎症性腸疾患であり、その根治的治療法は確立されていな い 。潰 瘍 性 大 腸 炎 患 者 の 腸 内 細 菌 叢 の dysbiosis 状 態 を In vitro 培 養 系 に 再 現 して、腸管内で酪酸生成量が低減していることを示した。すなわち、潰瘍性大腸炎患者の重症度を腸内環境の観点から迅速にスクリーニングできる系を確立した。
【伊藤洋一郎】我々は、目的遺伝子のターミネーター配列を変更するだけで酵

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母細胞内での目的酵素の発現量を調整できることを見出した。ターミネーター
配列変更による代謝酵素群の発現量を最適化することで、微生物工場（酵母）における目的有用物質の生産性を最大化できることを示した。

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４．論文・著書・特許出願リスト[論文]
論文名：A Cu-free clickable surface with the controllable surface density
著者名：Miyahara, K., Sakai, R., Hara, M., Maruyama, T.
掲載誌，巻，ページ：Colloid of Polymer Science, 297, 927–931, 2019
論文名：Hydration Layers at the Graphite–Water Interface: Attraction or Confinement?
著者名：Söngen, H., Jaques, Y. M., Zivanovic, L., Seibert, S., Bechstein, R., Spijker, P., Onishi,
H., Foster, A. S., Kühnle, A.
掲載誌，巻，ページ：Physical Review B, 200, 205410, 2019
論 文 名 ： Nanometer-Scale Distribution of Lubricant Modifier on Iron Films: A
Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy Study Combined with Friction Test
著者名：Moriguchi, S., Tsujimoto, T., Sasahara, A., Kokawa, R., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：ACS Omega, 4, 17593-17599, 2019
論文名：Double Doping of NaTaO3 Photocatalysts with La and Mn for Strongly Enhanced
Visible-Light Absorption
著者名：Sudrajat, H., Kitta, M., Ichikuni, N., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：ACS Applied Energy Materials, 2, 7518-7526, 2019
論文名：Enhancement of Stratification of Colloidal Particles near a Substrate Induced byAddition of Non-Adsorbing Polymers
著者名：Furukawa, S., Amano, K.-I. Ishihara, T., Hashimoto, K., Nishi, N., Onishi, H., Sakka, T.
掲載誌，巻，ページ：Chemical Physics Letters, 734, 136705, 2019
論文名：Electron Population and Water Splitting Activity Controlled by Strontium Cations
Doped in KTaO3 Photocatalysts
著者名：Sudrajat, H., Dhakal, D., Kitta, M., Sasaki, T., Ozawa, A., Babel, S., Yoshida, T.,
Ichikuni, N.; Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Physical Chemistry C, 123, 18387-18397, 2019
論文名：Sodium Tantalate Photocatalysts Doped with Metal Cations: Why Are They Active for
Water Splitting?
著者名：Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：Chem Sus Chem, 12, 1825-1834, 2019
論文名：Charge Carrier Dynamics in Sr-Doped Natao3 Photocatalysts Revealed by Deep Uv
Single-Particle Microspectroscopy
著者名：Mizutani, S., Karimata, I., An, L., Sato, T., Kobori, Y., Onishi, H., Tachikawa, T.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Physical Chemistry C, 123, 12592-12598, 2019
論文名：Butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene associated with the genus Roseburia isdecreased in the gut microbiota of Japanese patients with ulcerative colitis
著者名：Shinohara, R., Sasaki, K., Inoue, J., Hoshi, N., Fukuda, I., Sasaki, D., Kondo, A.,
Osawa, R.
掲載誌，巻，ページ，発表年：Bioscience of Microbiota, Food and Health, 38(4), 159-163, 2019
論文名：Construction of a model culture system of human colonic microbiota to detectdecreased Lachnospiraceae abundance and butyrogenesis in the feces of ulcerative
colitis patients
著者名：Sasaki, K., Inoue, J., Sasaki, D., Hoshi, N., Shirai, T. Fukuda, I., Azuma, T. Kondo, A.,
Osawa, R.
掲載誌，巻，ページ，発表年：Biotechnology Journal, 14, e5, 2019
論文名：Impact of resistant starch on the gut microbiota and its metabolites in a single-batch
fermentation system varies among fecal samples from patients with coronary arterydisease. Journal of Atherosclerosis and Thrombosis

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著者名：Yoshida, N., Sasaki, K., Sasaki, D., Yamashita, T., Fukuda, H., Hayashi, T., Tabata, T.,
Osawa, R., Hirata, K., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ，発表年：Journal of Atherosclerosis and Thrombosis, 26(8), 705-719, 2019
論文名：The PSI-PSII megaconplex in green plants
著者名：Yokono, M., Takabayashi, A., Kishimoto, J., Fujita, T., Iwai, M., Murakami, A.,
Akimoto, S., Tanaka, A.
掲載誌，巻，ページ：Plant and Cell Physiology, 60, 1098–1108, 2019
論文名：Pleurotus citrinopileatus polysaccharide stimulates anti-inflammatory properties during
monocyte-to-macrophage differentiation
著者名：Minato, K., Laan, L.C., van Die, I., Mizuno, M.
掲載誌，巻，ページ：International Journal of Biological Macromolecules, 122, 705-712, 2019
論文名：Influence of temperature on anti-allergic activity of fucoidan extracted from Saccharina
japonica
著者名：Morita, A., Tanino, Y., Ojima, T., Mizuno, M.
掲載誌，巻，ページ：Food Science and Technology Research, 25(4), 607-611, 2019
論文名：The analysis of the content of biologically active phenolic compounds, flavonoids, andglycoalkaloids in harvested red, yellow, and green tomatoes, tomato leaves, andtomato stems
著者名：Friedman, M., Kozukue, N., Mizuno, M., Sakakibara, H., Choi, S. H., Fujitake, M.,
Land, K. M.
掲載誌，巻，ページ：Current Topics in Phytochemistry, 15, 43-53, 2019
論 文 名 ： Oral administration of fucoidan can exert anti-allergic activity after allergensensitization by enhancement of galectin-9 secretion in blood
著者名：Mizuno, M., Sakaguchi, K., Sakane, I.
掲載誌，巻，ページ：Biomolecules, 10(2), https://doi.org/10.3390/biom10020258, 2019
論文名：Influences of N-linked glycosylation on the biochemical properties of aspartic proteasefrom Aspergillus glaucus MA0196
著者名：Lim, L., Senba, H., Kimura, Y., Yokota, S., Doi, M., Yoshida, K., Takenaka, S.
掲載誌，巻，ページ：Process Biochemistry, 79, 79-80, 2019
論 文 名 ： Production of scyllo-inositol: Conversion of rice bran into a promisingdisease-modifying therapeutic agaent for Alzheimer’s disease
著者名：Yoshida, K., Ishikawa, S.
掲載誌，巻，ページ：J Nutr Sci Vitaminol, 65, S139-S142, 2019
論文名：Glabridin inhibits dexamethasone-induced muscle atrophy
著者名：Yoshioka, Y., Kubota, Y., Samukawa, Y., Yamashita, Y., Ashida, H.
掲載誌，巻，ページ：Archives of Biochemistry and Biophysics, 664, 157-166, 2019
論文名：Quercetin and its metabolite isorhamnetin promote glucose uptake through different
signalling pathways in myotubes
著者名：Jiang, H., Yamashita, Y., Nakamura, A., Croft, KD., Ashida, H.
掲載誌，巻，ページ：Scientific Reports, 9, 2690, 2019
論文名：Enzymatically modified isoquercitrin promotes energy metabolism through activating
AMPKα in male C57BL/6 mice
著者名：Jiang, H., Yoshioka, Y., Yuan, S., Horiuchi, Y., Yamashita, Y., Croft, K, D., Ashida, H.
掲載誌，巻，ページ：Food & Function, 10, 5188-5202, 2019
論文名：Origin of the wheat B-genome chromosomes conferred by RNA sequencing analysis ofleaf transcripts in the section Sitopsis species of Aegilops
著者名：Miki, Y., Yoshida, K., Mizuno, N., Nasuda, S., Sato, K., Takumi, S.
掲載誌，巻，ページ：DNA Research, 26, 171-182, 2019
論文名：Growth light environment changes the sensitivity of photosystem I photoinhibition8

depending on common wheat cultivars
著者名：Takagi, D., Ihara, T., Takumi, S., Miyake, C.
掲載誌，巻，ページ：Frontiers in Plant Science, 10, 686, 2019
論文名：Genome-wide polymorphisms from RNA sequencing assembly of leaf transcripts
facilitate phylogenetic analysis and molecular marker development in wild einkorn
wheat
著者名：Michikawa, A., Yoshida, K., Okada, M., Sato, K., Takumi, S.
掲載誌，巻，ページ：Molecular Genetics and Genomics, 294, 1327-1341, 2019
論 文 名 ： Tough and Stretchable Inorganic/Organic Double Network Ion Gel Containing
Gemini-Type Ionic Liquid as Multiple Hydrogen Bond Cross-Linker
著者名：Yasui, T., Kamio, E., Matsuyama, H.
掲載誌，巻，ページ：RSC Advances, 9, 11870-11876, 2019
論文名：Preparation and characterization of organic chelate ligand (OCL)-templated TiO2-ZrO2
nanofiltration membranes
著者名：Sada, Y., Yoshioka, T., Nakagawa, K., Shintani, T., Iesako, R., Kamio, E., Matsuyama,H.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 591, 117304, 2019
論文名：Investigation into the Effective Chemical Structure of Metal-Containing Ionic Liquids
for Oxygen Absorption
著者名：Matsuoka, A., Kamio, E., Matsuyama, H.
掲載誌，巻，ページ：Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(51), 23304-23316, 2019
論文名：Less biomass and intracellular glutamate in anodic biofilms lead to efficient electricity
generation by microbial fuel cells
著者名：Sasaki, D., Sasaki, K., Tsuge, Y., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Biotechnology for Biofuels, 12, 72, 2019
論文名：CiApex1 has AP endonuclease activity and abrogated AP site repair disrupts early
embryonic development in Ciona intestinalis
著者名：Igarashi, K., Funakoshi, M., Kato, S., Moriwaki, T., Kato, Y., Zhang-Akiyama, Q. M.
掲載誌，巻，ページ：Genes Genet Syst, 94(2), 81-93, 2019
論文名：Heterologous production of free dihomo-ɤ-linolenic acid by Aspergillus oryzae and its
extracellular release via surfactant supplementation
著者名：Tamano, K., Cox, Ⅲ, R. S., Tsuge, K., Miura, A., Itoh, A., Ishii, J., Tamura, T., Kondo,
A., Machida, M.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Bioscience and Bioengineering, 127, 451-457, 2019
論文名：Production of active manganese peroxidase in Escherichia coli by co-expression ofchaperones and in vitro maturation by ATP-dependent chaperone release
著者名：Alfi, A., Zhu, B., Damnjanovic, J., Kojima, T., Iwasaki, Y., Nakano, H.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Bioscience and Bioengineering, 128(3), 290-295, 2019
論文名：Enhancing lutein production with mixotrophic cultivation of Chlorella sorokiniana
MB-1-M12 using different bioprocess operation strategies
著者名：Chen, J. H., Chen, C. Y., Hasunuma, T., Kondo, A., Chang, C. H., Ng, I. S., Chang, J. S.
掲載誌，巻，ページ：Bioresource Technology, 278, 17-25, 2019
論文名：Building a global alliance of biofoundries
著者名：Hillson, N., Caddick, M., Cai, Y., Carrasco, J. A., Chang, M. W., Curach, N. C., Bell, D.
J., Le Feuvre, R., Friedman, D. C., Fu, X., Gold, N. D., Herrgård, M. J., Holowko, M.
B., Johnson, J. R., Johnson, R. A., Keasling, J. D., Kitney, R. I., Kondo, A., Liu, C.,
Martin, V. J. J., Menolascina, F., Ogino, C., Patron, N. J., Pavan, M., Poh, C. L.,
Pretorius, I. S., Rosser, S. J., Scrutton, N. S., Storch, M., Tekotte, H., Travnik, E.,
Vickers, C. E., Yew, W. S., Yuan, Y., Zhao, H., Freemont, P. S.
掲載誌，巻，ページ：Nature Communications, 10(1), 2040, 20199

論文名：Branched-chain polyamine stabilizes RNA polymerase at elevated temperatures inhyperthermophiles
著者名：Yamori, Y., Hamakawa, M., Hidese, R., Fukuda, M., Atomi, H., Fukuda, W., Fujiwara,
S.
掲載誌，巻，ページ：Amino Acids, 1-11, doi: 10.1007/s00726-019-02745-y, 2019
論文名：The neutral N-linked glycans of the Basidiomycetous yeasts Pseudozyma antarctica andMalassezia furfur (Subphylum Ustilaginomycotina)
著者名：Flores, R. J. D., Ohashi, T., Sakai, K., Gonoi, T., Kawasaki, H., Fujiyama, K.
掲載誌，巻，ページ：The Journal of Generanl and Applied Microbiology, 65(2), 53-63, 2019
論 文 名 ： Cell-surface display technology and metabolic engineering of Saccharomyces
cerevisiae for enhancing xylitol production from woody biomass
著者名：Guirimand, G., Inokuma, K., Bamba, T., Matsuda, M., Morita, K., Sasaki, K., Ogino,
C., Berrin, J. G., Hasunuma, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Green Chemistry, 21, 1795-1808, 2019
論文名：A simple, real-time assay of horseradish peroxidase using biolayer interferometry
著者名：Kojima, T., Nakane, A. Zhu, B., Alfi, A., Nakano, H.
掲載誌，巻，ページ：Bioscience, Biotechnology and Biochemistry, 83(10), 1822-1828, 2019
論文名：Enhanced phenyllactic acid production in Escherichia coli via oxygen limitation andshikimate pathway gene expression
著者名：Kawaguchi, H., Miyagawa, H., Nakamura-Tsuruta, S., Takaya, N., Ogino, C., Kondo,
A.
掲載誌，巻，ページ：Biotechnology Journal, 14(6), 1800478, 2019
論文名：Metabolic engineering to improve 1,5-diaminopentane production from cellobiose
using β-glucosidase-secreting Corynebacterium glutamicum
著者名：Matsuura, R., Kishida, M., Konishi, R., Hirata, Y., Adachi, N., Segawa, S., Imao, K.,
Tanaka, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Biotechnology and Bioengineering, 116(10), 2640-2651, 2019
論文名：Bioenergy and Biorefinery: feedstock, biotechnological conversion and products
著者名：Amoah, J., Kahar, P., Ogino, C., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Biotechnology Journal, 14(6), 1800494, 2019
論文名：Versatility of a dilute acid/butanol pretreatment investigated on various lignocellulosic
biomasses to produce lignin, monosaccharides and cellulose in distinct phases
著者名：Schmetz, Q., Teramura, H., Morita, K., Oshima, T., Richel, A., Ogino, C., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(13), 11069-11079, 2019
論文名：Emerging crosslinking techniques for glove manufacturers with improved nitrile glove
properties and reduced allergic risks
著者名：Yew, G. Y., Thing, C. Th., Law, C. L., Dinh-Toi, C., Ogino, C., Show, P. L.
掲載誌，巻，ページ：Materials Today Communications, 19, 39-50, 2019
論文名：Lipid production by Lipomyces starkeyi using sap squeezed from felled old oil palm
trunks
著者名：Juanssilfero, A. B., Kahar, P., Amza, R. L., Yopi, Sudesh, K., Ogino, C., Prasetya, B.,
Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Bioscience and Bioengineering, 127(6), 726-731, 2019
論文名：Investigation of the potential of using TiO2 nanoparticles as a contrast agent incomputed tomography and magnetic resonance imaging
著者名：Akasaka, H., Mukumoto, N., Nakayama, M., Wang, T., Yada, R., Shimizu, Y., Inubushi,
S., Kyotani, K., Okumura, K., Miyamoto, M., Nakaoka, A., Morita, K., Nishimura, Y.,
Ogino, C., Sasaki, R.
掲載誌，巻，ページ：Applied Nanoscience, 1-6, 2019
論文名：Day/night separation of oxygenic energy metabolism and nuclear DNA replication in10

the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae
著者名：Miyagishima, S., Era, A., Hasunuma, T., Matsuda, M., Hirooka, S., Sumiya, N., Kondo,
A. Fujiwara, T.
掲載誌，巻，ページ：mBio, 10(4), e00833-19, 2019
論文名：Improved measurement of absolute mRNA quantity without reversetranscription
著者名：Yokomori, M., Tsuge, K., Shohda, K., Suyama, A.
掲載誌，巻，ページ：Analytical Biochemistry, 579, 1-8, 2019
論文名：Effect of resistant starch on the gut microbiota and its metabolites in patients withcoronary artery disease
著者名：Yoshida, N., Sasaki, K., Sasaki, D., Yamashita, T., Fukuda, H., Hayashi, T., Tabata, T.,
Osawa, R., Hirata, K., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Atherosclerosis and Thrombosis, 26(8), 705-719, 2019
論文名：Combined cell surface display of β-D-glucosidase (BGL), maltose transporter (MAL11)
and overexpression of cytosolic xylose reductase (XR) in Saccharomyces cerevisiaeenhance cellobiose/xylose coutilization for xylitol bio-production from lignocellulosic
biomass
著者名：Guirimand, G., Bamba, T., Matsuda, M., Inokuma, K., Morita, K., Kitada, Y.,
Kobayashi, Y., Yukawa, T., Sasaki, K., Ogino, C., Hasunuma, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Biotechnology Journal, 14(9), e1800704, 2019
論文名：High cell density cultivation of Lipomyces starkeyi for achieving highly efficient lipid
production from sugar under low C/N ratio
著者名：Amza, R. L., Kahar, P., Juanssifero, A. B., Miyamoto, N., Otsuka, H., Kihira, C., Ogino,
C., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Biochemical Engineering Journal, 149, 107236, 2019
論文名：Co-fermentation of xylose and glucose from ionic liquid pretreated sugar cane bagasse
for bioethanol production using engineered xylose assimilating yeast
著者名：Amoah, J., Ogura, K., Schmetz, Q., Kondo, A., Ogino, C.
掲載誌，巻，ページ：Biomass & Bioenergy, 128, 2019
論文名：Complete genome sequence of Rhodobacter sphaeroides HJ strain, a purple nonsulfur
bacterium with high hydrogen production ability from acetate
著者名：Kobayashi, J., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Microbiology Resource Announcements, 8(37), e00652-19, 2019
論文名：The C-terminal flexible region of branched-chain polyamine synthase facilitates
substrate specificity and catalysis
著者名：Hidese, R., Toyoda, M., Yoshino, K. I., Fukuda, W., Wihardja, G. A., Kimura, S., Fujita,J., Niitsu, M., Oshima, T., Imanaka, T., Mizohata, E., Fujiwara, S.
掲載誌，巻，ページ：The FEBS Journal, 286(19), 3926-3940, 2019
論文名：A novel process for the mixotrophic production of lutein with Chlorella sorokiniana
MB-1-M12 using aquaculture wastewater
著者名：Chen, J. H., Kato, Y., Matsuda, M., Chen, C. Y., Nagarajan, D., Hasunuma, T., Kondo,A., Dong, C. D., Lee, D. J., Chang, J. S.
掲載誌，巻，ページ：Bioresource Technology, 290, 121786, 2019
論文名：Repression of mitochondrial metabolism for cytosolic pyruvate-derived chemical
production in Saccharomyces cerevisiae
著者名：Morita, K., Matsuda, F., Okamoto, K., Ishii, J., Kondo, A., Shimizu, H.
掲載誌，巻，ページ：Microbial Cell Factories, 18, 177, 2019
論 文 名 ： Bio-processing of algal bio-refinery: a review on current advances and future
perspectives
著者名：Koyande, A. K., Show, P. L., Guo, R., Tang, B., Ogino, C., Chang, J. S.
掲載誌，巻，ページ：Bioengineered, 10(1), 574-592, 201911

論 文 名 ： Single-stage astaxanthin production enhances the nonmevalonate pathway andphotosynthetic central metabolism in Synechococcus sp. PCC 7002
著者名：Hasunuma, T., Takaki, A., Matsuda, M., Kato, Y., Vavricka, C. J., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：ACS Synthetic Biology, 8(12), 2701-2709, 2019
論文名：Bifidogenic and butyrogenic effects of young barely leaf extract in an in vitro humancolonic microbiota model
著者名：Sasaki, D., Sasaki, K., Kadowaki, Y., Aotsuka, Y., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：AMB Express, 9, 182, 2019
論文名：Fermentation of pigment-extracted microalgal residue using yeast cell-surface display:
direct high-density ethanol production with competitive life cycle impacts
著者名：Huang, X., Bai, S., Liu, Z., Hasunuma, T., Kondo, A., Ho, S. H.
掲載誌，巻，ページ：Green Chemistry, 22(1), 153-162, 2019
論文名：Short-term temporal metabolic behavior in halophilic cyanobacterium Synechococcus
sp. strain PCC 7002 after salt shock
著者名：Aikawa, S., Nishida, A., Hasunuma, T., Chang, J. S. Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Metabolites, 9(12), 297, 2019
論 文 名 ： One-Step Biotinylation of Cellulose Paper by Polymer Coating to Prepare a
Paper-Based Analytical Device
著者名：Kaneko, K., Hara, M., Nishino, T., Maruyama, T.
掲載誌，巻，ページ：Analytical Chemistry, 92, 1978-1987, 2020
論文名：Single-Crystal Model of Highly Efficient Water-Splitting Photocatalysts: A KTaO3
Wafer Doped with Calcium Cations
著者名：Fujiwara, T., Sasahara, A., Happo, N., Kimura, K., Hayashi, K., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：Chemistry of Materials, 32, 1439–1447, 2020
論文名：Preparation of the NaTaO3 Crystal from the KTaO3 Substrate Via Topotactic Alkaline
Cation Substitution as Confirmed by Transmission Electron Microscopy
著者名：Kitta, M., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 18, 32–37, 2020
論文名：Atomic Force Microscopy Imaging of Crystalline Sucrose in Alcohols
著者名：Teduka, Y., Sasahara, A., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：ACS Omega, 5, 2569–2574, 2020
論文名：Atom-Scale Imaging of TiO2(110) Surface in Water by Frequency-Modulation Atomic
Force Microscopy
著者名：Xue, S., Sasahara, A., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：The Journal of Chemical Physics, 152, 054703-054710, 2020
論文名：Visible Light Responsive La and Fe Co-Doped NaTaO3 Photocatalysts: Local Structurearound Dopants
著者名：Sudrajat, H., Ichikuni, N., Onishi, H.
掲載誌，巻，ページ：Chemical Physics, 531, 110648-110655, 2020
論文名：A bacterial cell factory converting glucose into scyllo-inositol, a therapeutic agent for
Alzheimer’s disease
著者名： Michon, C., Kang, C.-M., Karpenko, S., Tanaka, K., Ishikawa, S., Yoshida, K.
掲載誌，巻，ページ：Communications Biology, 3, 93, 2020
論文名：6-(Methylsulfinyl)hexyl isothiocyanate protects acetaldehyde-caused cytotoxicity
through the induction of aldehyde dehydrogenase in hepatocytes
著者名：Kitakaze, T., Yuan, S., Inoue, M., Yoshioka, Y., Yamashita, Y., Ashida, H.
掲載誌，巻，ページ：Archives of Biochemistry and Biophysics, 7, 108329, 2020
論文名：Introgression of chromosomal segments conferring early heading date from wheat
diploid progenitor, Aegilops tauschii Coss., into Japanese elite wheat cultivars

12著者名：Takumi, S., Mitta, S., Komura, S., Ikeda, M. T., Matsunaka, H., Sato, K., Yoshida, K.,
Murai, K.
掲載誌，巻，ページ：PLoS ONE, 15, e0228397, 2020
論文名：Heterologous expression of wheat WRKY transcription factor genes transcriptionallyactivated in hybrid necrosis strains alters abiotic and biotic stress tolerance intransgenic Arabidopsis
著者名：Kuki, Y., Ohno, R., Yoshida, K., Takumi, S.
掲載誌，巻，ページ：Plant Physiology and Biochemistry, 150, 71-79, 2020
論 文 名 ： Diploid genome differentiation conferred by RNA sequencing-based survey ofgenome-wide polymorphisms throughout homoeologous loci in Triticum and Aegilops
著者名：Tanaka, S., Yoshida, K., Sato, K., Takumi, S.
掲載誌，巻，ページ：BMC Genomics, 21, 246, 2020
論文名：Design of Niobate Nanosheet-Graphene Oxide Composite Nanofiltration Membranes
with Improved Permeability
著者名：Kunimatsu, M., Nakagawa, K., Yoshioka, T., Shintani, T., Yasui, T., Kamio, E., Tsang,
E. C. S., Li, J., Matsuyama, H.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 595, 117598, 2020
論文名：Development of facilitated transport membranes composed of a dense gel layer
containing CO2 carrier formed on porous cylindrical support membranes
著者名：Kamio, E., Kasahara, S., Moghadam, F., Matsuyama, H.
掲載誌，巻，ページ：Chemical Engineering Research and Design, 153, 284-293, 2020
論文名：Hollow Fiber-type Facilitated Transport Membrane Composed of Polymerized Ionic
Liquid-based Gel Layer with Amino Acidate as the CO2 Carrier
著者名：Kamio, E., Tanaka, M., Shirono, Y., Keun, Y., Moghadam, F., Yoshioka, T., Nakagawa,
K., Matsuyama, H.
掲載誌，巻，ページ：Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(5), 2083-2092, 2020
論文名：Energy Dissipation via the Internal Fracture of the Silica Particle Network in Inorganic/Organic Double Network Ion Gels
著者名：Yasui, T., Fujinami, S., Hoshino, T., Kamio, E., Matsuyama, H.
掲載誌，巻，ページ：Soft Matter, 16, 2363-2370, 2020
論文名：Novel strategy for anchorage position control of GPI-attached proteins in the yeast cellwall using different GPI-anchoring domains
著者名：Inokuma, K., Kurono, H., den Haan, R., van Zyl, W. H., Hasunuma, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Metabolic Engineering, 57, 110-117, 2020
論文名：n-Butylamine production from glucose using a transaminase-mediated synthetic
pathway in Escherichia coli
著者名：Matsumoto, T., Mori, Y., Tanaka, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Journal of Bioscience and Bioengineering, 129(1), 99-103, 2020
論文名：Metabolic engineering of Escherichia coli for shikimate pathway derivative production
from glucose–xylose co-substrate
著者名：Fujiwara, R., Noda, S., Tanaka, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Nature Communications, 11, 279, 2020
論文名：Towards improvement of covalent neuraminidase inhibitors with anomeric substitution
著者名：Vavricka, C. J., Matsumoto, T., Hiromasa K.
掲載誌，巻，ページ：Trends in Glycoscience and Glycotechnology, 32(185), E1-E5, 2020
論文名：Malic enzyme facilitates D-lactate production through increased pyruvate supply duringanoxic dark fermentation in Synechocystis sp. PCC 6803
著者名：Hidese, R., Matsuda, M., Osanai, T., Hasunuma, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：ACS Synthetic Biology, 9, 260-268, 202013

論文名：Biodiesel-mediated biodiesel production: A recombinant Fusarium heterosporum
lipase-catalyzed transesterification of crude plant oils
著者名：Quayson, E., Amoah, J., Rachmadona, N., Hama, S., Yoshida, A., Kondo, A., Ogino, C.
掲載誌，巻，ページ：Fuel Processing Technology, 199, 106278, 2020
論文名：Automatic redirection of carbon flux between glycolysis and pentose phosphatepathway using an oxygen-responsive metabolic switch in Corynebacterium
glutamicum
著者名：Kobayashi, S., Kawaguchi, H., Shirai, T., Ninomiya, K., Takahashi, K., Kondo, A.,
Tsuge, Y.
掲載誌，巻，ページ：ACS Synthetic Biology, 9, 814-826, 2020
[著書]
著 書：Immunomodulating glucans can influence innate immunity and prevent inflammatory
disease, In Advances in Health and Disease. (Duncan, L.T., ed)（共著）
著者名：Minato, K. and Mizuno, M.
巻，ページ：Chapter 3, 15
発行所，発行年：Nova Science Publishers, 2019年
著 書：医薬品モダリティの特許戦略と技術開発動向 (分担執筆)
著者名：山地秀樹
巻，ページ：第2章7節「昆虫細胞を用いたバイオ医薬品の生産技術」，135–142
発行所，発行年：技術情報協会，2019年
著 書：Energy Production: Biodiesel, Yeast Cell Surface Engineering. (Ueda, M., ed.) （共著）
著者名：Ogino,C., Amoah, J.
Chapter 4, 43-61
Springer Nature, 2019 年
著 書：骨格筋研究を核とした筋スマート社会 (分担執筆)
著者名：西村勇哉，蓮沼誠久
巻，ページ：第 3 章 7 節 「組織内の分子を網羅的に測る技術」，94-99
発行所，発行年：シーエムシー・リサーチ, 2019 年[特許]
発明等の名称：イオン性液体含有構造体の製造方法及びイオン性液体含有構造体
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：神尾英治，松山秀人，木ノ下雅之，安井知己，木村直道，伊藤悠里，井原輝一
出願日：2019年8月29日
出願番号：特願2019-157339
発明等の名称：イオン性液体含有構造体の製造方法及びイオン性液体含有構造体
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：神尾英治，松山秀人，木ノ下雅之，安井知己，木村直道，伊藤悠里，井原輝一
出願日：2019年8月29日
出願番号：PCT/JP2019/034024
発明等の名称：整腸用組成物、善玉菌の培養方法、並びに飲食品、医薬部外品、又は医薬品
出願者：国立大学法人神戸大学，日本薬品開発株式会社
発明者：佐々木建吾，佐々木大介，門脇靖司，青塚康幸
出願日：2019年8月30日
出願番号：特願2019-158205

14発明等の名称：換気装置
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，神尾英治，梅本勝弥，奥村寿浩，福本康二，梅村友章
出願日：2020年1月24日
出願番号：PCT/JP2020/002544
発明等の名称：酸素吸収能を有する液体状金属錯体
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：中西康哲，松山秀人，神尾英治，松岡淳
出願日：2020年3月4日
出願番号：PCT/JP2020/009190
発明等の名称：腸内環境改善組成物
出願者：国立大学法人神戸大学，大阪ガス株式会社
発明者：盤若明日香，坪田潤，佐々木建吾，佐々木大介，近藤昭彦
出願日：2020年3月29日
出願番号：特願2019-065869
発明等の名称：疾患のバイオマーカーの検出方法、検出装置および疾患検査装置
出願者：国立大学法人神戸大学
発明者：今石浩正，伊原航平
出願日：2020年3月31日
出願番号：特願2020-065362

15

別紙１
様式（年次報告書）
令和２年４月８日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 先端膜工学研究プロジェクト
研究代表者

部局・専攻・氏名 工学研究科・応用化学専攻・松山秀人

外 部 資 金

科学研究費補助金

16,641 千円，受託研究経費53,869 千円

獲 得 実 績奨学寄附金

28,420 千円，共同研究経費64,421 千円

特許出願件数12 件，

論文発表件数 44 件，

著書数

1件

２．構成員とその役割分担
氏

部局・専攻

名

役

割

分

担

松山秀人

工学研究科

研究統括

蔵岡孝治

海事科学研究科

ガス分離特性評価吉岡朋久

科学術イノベーション研究科

ガス透過解析

中川敬三

科学技術イノベーション研究科

ガス分離用高分子材料の開発

神尾英治

工学研究科

ガス分離系の設計

市橋祐一

工学研究科

ガス分離特性評価

谷屋啓太

工学研究科

透過セル内流れ解析

新谷卓司

科学技術イノベーション研究科

ガス分離用高分子材料の開発

熊谷和夫

工学研究科

ガス分離特性評価

長谷川進

工学研究科

ガス分離実験系の設計

Stephen Gray

Victoria University・College of ガス分離特性評価
EngineeringandScience(Australia)
King Lun Yeung

The Hong Kong University of ガス分離研究助言
ScienceandTechnology

16・Department
BiomolecularofChemicalandEngineering(Hong

Kong)
Yong Soo Kang

Hanyang University・Department 促進輸送膜によるガス分離
of Energy Engineering(Korea)

Xiao-Ling Wang

Tsinghua University・Department ガス分離研究助言
of Chemical Engineering (China)

Bao-Guo Wang

Tsinghua University・Department ガス分離研究助言
of Chemical Engineering (China)

Bao-Ku Zhu

Zhejiang University・Institute ガス分離研究助言
of Polymer Science(China)

Da-Ming Wang

National Taiwan University ・ ガス分離特性評価
DepartmentofChemicalEngineering(Taiwan)
Kueir-Rarn Lee

Chung Yuan University・Departmet ガス分離特性評価
of Chemical Engineering(Taiwan)

Hokyong Shon

UniversityofTechnology ガス分離研究助言

Sydney・Department of Chemical
Engineering(Australia)

17３．研究成果の概要等について
先端膜工学研究プロジェクトでは、CO 2 回 収 貯 蔵 （ CCS） 技 術 併 設 次 世 代 型 石 炭
ガ ス 化 複 合 発 電（ IGCC）や CO 2 排 出 量 が 少 な い 天 然 ガ ス 火 力 発 電 な ど の 大規模
CO2 発生源から、省エネルギーで CO2 を分離・回収可能なプロセスの開発を目的とし、CO2 分離膜を用いた脱炭酸プロセスの実用化を目指した CO2 選択分離膜の開発とそのプ
ロセス開発を実施している。上記のような CO2 排出の抑制が期待されている発電方式では、数 MPa の高圧ガスから CO2 を分離するための技術が必要とされている。本 プ ロ ジ
ェ ク ト で は 、優 れ た CO 2 選 択 透 過 性 能 を 有 す る 耐 圧 型 CO 2 分 離 膜 の 開 発 を 目 指している。
本 研 究 プ ロ ジ ェ ク ト で 開 発 を 目 指 す 耐 圧 型 CO 2 分 離 膜 は 、 長 期 使 用 安 定 性 と耐圧性を両立するものであり、それらを実現するための材料として、イオン液体を含有する高強度ゲル（高強度イオンゲル）に着目している。一昨年度までに 、 CO 2 を 選 択 的 に 吸 収 で き る イ オ ン 液 体 を 高 強 度 化 す る た め の 技 術 と 、 そ の高 強 度 イ オ ン ゲ ル フ ィ ル ム の 優 れ た CO 2 選 択 透 過 性 能 は 確 認 で き て お り 、 高 強度イオンゲルの薄膜化技術の開発が現状の課題である。
開発に成功している高強度イオンゲル膜は、異なる性質を有する 2 種類のゲル ネ ッ ト ワ ー ク を イ オ ン 液 体 中 に 形 成 す る こ と で 調 製 さ れ る 。2 種 類 の ゲ ル ネ ッ
ト ワ ー ク の う ち の 一 つ（ 1st ネ ッ ト ワ ー ク ）は 、硬 く て 脆 い 性 質 を 有 し 、応 力 印
可によりゲル内で容易に破壊されることで印可されたエネルギーを散逸する役
割 を 担 う 。 も う 一 方 の ネ ッ ト ワ ー ク （ 2nd ネ ッ ト ワ ー ク ） は 柔 ら か く て よ く 伸
びる隠れ長としての役割を担い、ゲルのマクロな破壊を抑制する。これまでの高強度イオンゲル膜は、鋳型内にゲル前駆体溶液を注入、ネットワーク形成反応を行うことで調製していたが、鋳型を用いる方法では高強度イオンゲル膜の薄膜化は困難であり、キャスト法やディップコーティング法、スピンコーティ
ング法などといった薄層形成技術を高強度イオンゲル薄膜の作製に適用可能な
高強度イオンゲル作製技術の確立が課題であった。
キャスト法やディップコーティング法、スピンコーティング法は、一般的に開放系で操作される。しかしながら、これまでに開発した高強度イオンゲルの調製では、イオン液体中で揮発性モノマーを重合することによりゲルネットワ
ークを形成する。そのため、開放系ではモノマーの揮発損失が起こり、高強度
ゲルネットワークをイオン液体中に発達させることができない。この問題を解決するため、高強度ゲルネットワークを形成するための原料として、揮発性モ
ノマーの代わりに不揮発性物質を用いる方法について検討を進めてきた。
昨 年 度 ま で に 、1st ネ ッ ト ワ ー ク の 原 料 と し て 、不 揮 発 性 の シ リ カ ナ ノ 粒 子 を
利 用 し た 高 強 度 イ オ ン ゲ ル 膜 の 調 製 に 成 功 し た 。 一 方 で 、 不 揮 発 性 の 2nd ネ ッ
トワーク原料を用いた高強度イオンゲル膜調製については確立できていなかった 。 2nd ネ ッ ト ワ ー ク に 不 揮 発 性 原 料 を 使 用 す る こ と が で き る と 、 高 強 度 イ オ
ンゲル膜を開放系で調製可能となり、キャスト法やディップコーティング法、
スピンコーティング法などといった薄層形成技術を適用可能となる。そこで本18

年度は、開放系における高強度イオンゲル膜調製のための要素技術を確立することを目的として、不揮発性有機ネットワーク原料を用いた開放系での高強度
イオンゲル膜調製について検討を行った。
不揮発性有機ネットワーク原料には、架橋性官能基を導入した架橋性高分子
を 用 い た 。 架 橋 性 高 分 子 は 、 高 分 子 骨 格 と な る N,N-dimethylacrylamide(DMAAm) と 活 性 エ ス テ ル 基 を 有 す る N-acryloxysuccinimide (NSA) の 可 逆 的
付 加 -開 裂 連 鎖 移 動 (RAFT) 重 合 に よ り 合 成 し た 。RAFT 重 合 の 連 鎖 移 動 剤 と して は 2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid を 用 い た 。こ の架 橋 性 高 分 子 は NSA の 活 性 エ ス テ ル 基 と 1 級 ア ミ ン の ア ミ ド 結 合 形 成 反 応 に より架橋することができる。架橋剤である 1 級アミンにはジアミン化合物を用いた 。 ま た 、 イ オ ン 液 体 に は 1-butyl-3-ethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([C 4 mim][Tf 2 N])を 用 い た 。 ま た 、 ゲ ル 化 溶 液 の 粘 度 を 制 御 す るために、ゲル化溶液に所定量のエタノールを添加した。なお、高強度イオンゲ
ル膜は密閉容器および開放容器中で作製した。
架 橋 性 高 分 子 を 用 い た 2nd ネ ッ ト ワ ー ク 形 成 の 概 略 図 を 図 1 に 示 す 。 ま た 、得られた高強度イオンゲルの写真を図 2 に示す。図 2 には、調製したゲル中に形成されたシリカナノ粒子ネットワークの透過型電子顕微鏡写真もあわせて示した。図 2 より、過矯正高分子を用いることでイオンゲル膜が調製可能である
こ と 、 ま た 、 そ の 内 部 に は 1st ネ ッ ト ワ ー ク と し て 機 能 す る シ リ カ ナ ノ 粒 子 ネットワークが発達していることが確認される。
Cross-linkable polymer
Cross-linker
Cross-linkablefunctional group

Dissolved in IL withcross-linker

3D network formation

図 1 架橋性高分子を用いた有機ネットワーク形成の概略図

(a)

(b)

(c)

(d)

Prepared in aclosed moldPrepared in a closed moldPrepared in an
open moldPrepared in an open mold

図 2 不揮発性ネットワーク原料（シリカナノ粒子および架橋性高分子）を用いて 調 製 し た 高 強 度 イ オ ン ゲ ル 膜（ (a) 密 閉 容 器 お よ び (b) 開 放 容 器 で 調 製 し た 高
強 度 イ オ ン ゲ ル 膜 ）、お よ び 調 製 し た 高 強 度 イ オ ン ゲ ル 膜 中 に 形 成 さ れ た シ リ カ
ナ ノ 粒 子 ネ ッ ト ワ ー ク の 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 写 真（ (a) 密 閉 容 器 お よ び (b) 開 放 容器で調製した高強度イオンゲル膜）

19

調 製 し た イ オ ン ゲ ル 膜 の 力 学 特 性 を 図 3 に 示 す 。図 3 に 示 さ れ て い る よ う に 、不揮発性ネットワーク原料であるシリカナノ粒子と架橋性高分子を用いること
で、開放系でも高強度イオンゲル膜を作製することに成功した。また、開放系で作製されたイオンゲル膜の強度は密閉系で作製されたものと同等であり、イオ ン 液 体 含 有 量 が 80 wt%で あ っ て も 十 分 な 強 度 を 有 す る こ と が 確 認 で き た 。さら に 、図 3 に 示 し た サ イ ク ル 延 伸 試 験 結 果 に は 明 確 な ヒ ス テ リ シ ス が 確 認 さ れ 、調製されたイオンゲル膜はエネルギー散逸機構に基づく高強度化が達成できていることが示された。

ま た 、開 放 系 で 調 製 し た 高 強 度 イ オ ン ゲ ル 膜 の 強 度 は 、

架橋性高分子に導入する架橋点の割合によって制御できることも明らかにしている。

Prepared in a moldStress (kPa)

200
150

1st

500

6th

6th
7th7th8th8th
SNSN

1st
2nd
2nd
3rd
3rd
4th
4th
5th
5th

DN

100
50
0
0.0

400

Stress (kPa)250

Prepared in an open environment

1.5

2.0

Strain (-)

200
100

SN
0.5 1.0

300

1st
2nd
3rd
4th
5th

0
0.0

2.5 3.0

0.5 1.0

1.5

2.0

Strain (-)

2.5 3.0

図 2 不揮発性ネットワーク原料（シリカナノ粒子および架橋性高分子）を用いて調製した高強度イオンゲル膜のサイクル延伸試験結果．左：密閉容器中で作製した高強度イオンゲル膜の力学特性、右：開放容器中で作製した高強度イオ
ン ゲ ル 膜 の 力 学 特 性 ． イ オ ン 液 体 含 有 量 ： 80 wt%．
以上のように、今年度の主要な成果として、不揮発性原料を用いることで高強 度 イ オ ン ゲ ル の 1st ネ ッ ト ワ ー ク お よ び 2nd ネ ッ ト ワ ー ク を 形 成 で き る 技 術を確立し、不揮発性のシリカナノ粒子と架橋性高分子をネットワーク原料として用いることで、開放空間における高強度イオンゲル膜作製のための要素技術が確立されたと言える。次年度は、キャスト法やディップコーティング法、ス
ピンコーティング法などによる高強度イオンゲル薄膜の調製について検討し、そ の CO 2 透 過 性 能 に つ い て 評 価 を 行 う 予 定 で あ る 。

20

４．論文・著書・特許出願リスト[論文]
論文名：Synergistic effects of organic and inorganic additives inpreparation ofcomposite PVDF antifouling ultrafiltration membranes
著者名：M.Y. Wahab, S. Muchtar, S. Jeon, L.F. Fang, S. Rajabzadeh, R. Takagi, N.
Arahman, S. Mulyati, M. Riza, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Applied Polymer Science,136, 47737 (2019)
論文名：A comprehensively fouling- and solvent-resistant aliphatic polyketone
membrane for high-flux filtration of difficult oil-in-water micro- andnanoemulsions
著者名：L. Zhang, Y. Lin, L. Cheng, Z. Yang, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 582, 48-58 (2019)
論 文 名 ： Effect of polymer structure modified on RO membrane surfaces via
surface-initiated ATRP on dynamic biofouling behavior
著者名：Z. Yang, D. Saeki, H.C. Wu,T. Yoshioka, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 582, 111-119 (2019)
論文名：Tough and Stretchable Inorganic/Organic Double Network Ion Gel Containing
Gemini-Type Ionic Liquid as Multiple Hydrogen Bond Cross-Linker
著者名：T. Yasui, E. Kamio, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：RSC Advances, 9, 11870-11876 (2019)
論文名：Molecular simulation of a modified Amphotericin B-Ergosterol artificial
water channel to evaluate structure and water molecule transport
performance
著者名：H. Wu, T. Yoshioka, K. Nakagawa, T. Shintani, D. Saeki, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 583, 49-58 (2019)
論文名：Effect of chain structure on the solvent resistance in aprotic solventsand pervaporation performance of PMDA and BTDA based polyimide membranes
著者名：J. Zhong, R. Xu, T. Li, C. Jiang, L. Deng, W. Ma, P. Zhang, Q. Zhang, H.
Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 584, 216-226 (2019)
論文名：Facile development of poly(tetrafluoride ethylene-r-vinylpyrrolidone)
modified PVDF membrane with comprehensive antifouling property forhighly-efficient challenging oil-in-water emulsions separation solvents

21

and pervaporation performance of PMDA and BTDA based polyimide membranes
著者名：Y. Sun, Y. Lin, L. Fang, L. Zhang, L. Cheng, T. Yoshioka, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 584, 161-172 (2019)
論文名：Development of HKUST-1 nanofiller-templated polyethersulfone (PES) mixed
matrix membrane for highly-efficient ultrafiltration process
著者名：Y. Lin, H.-C. Wu, T. Yasui, T. Yoshioka, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：ACS Applied Materials & Interfaces, 11, 18782-18796 (2019)
論 文 名 ： Numerical simulation of particulate cake formation in cross-flow
microfiltration: Effects of attractive forces
著者名：J. Nishitani, Y. Mino, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Advanced Powder Technology, 30, 1592-1599 (2019)
論文名：Ultra-low graphene oxide loading for water permeability, antifouling andantibacterial improvement of polyethersulfone/sulfonated polysulfone
ultrafiltration membranes
著者名：M. Hu, Z. Cui, J. Li, L. Zhang, Y. Mo, D. S. Dlamini, H. Wang, B. He,
H. Matsuyama, J. Li
掲載誌，巻，ページ：Journal of Colloid and Interface Science, 552, 319-331
論文名：Development of highly water-dispersible complexes between coenzyme Q10
and protein hydrolysates
著者名：A. Inada, T. Oue, S. Yamashita, M. Yamasaki, T. Oshima, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：European Journal of Pharmaceutical Sciences, 136 104936 (2019)
論 文 名 ： Morpholine derivatives as thermoresponsive draw solutes for forward
osmosis desalination
著者名：A. Inada, T. Takahashi, K. Kumagai, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Industrial & Engineering Chemistry Research, 25 12253-1260(2019)
論文名：Electrostatic adsorption behavior of zwitterionic copolymer on negatively
charged surface
著者名：S.Y Wang, L.F Fang, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Langmuir, 35, 9152-9160 (2019)
論文名：Preparation of thin film composite nano-filtration membranes for brackish
water softening based on the reaction between functionalized UF membranes
and polyethyleneimine22著者名：F. Zarei, R.M Moattari, S. Rajabzadeh, M. Bagheri, A. Taghizadeh, T.
Mohammadi, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 588, 117207 (2019)
論文名：Flow and sedimentation characteristics of silica hard-shell microcapsuleslurries treated with additives
著者名：H. Suzuki, R. Hidema, S. Usa, T. Horie, Y. Komoda, N. Ohmura, K. Taniya,
Y. Ichihashi, S. Nishiyama, H. Asano
掲載誌，巻，ページ：International Journal of Refrigeration, 106, 2019, 18-23
論文名：Photoelectrochemical Reaction in an Electric Cell with a Porous Carbon
Anode
著者名：T. Kaizu, Y. Kawajiri, M. Enomoto, T. Uchino, M. Mizuhata, Y. Ichihashi,
K. Taniya, S. Nishiyama, M. Sugiyama, M. Ueno, T. Kita
掲載誌，巻，ページ：Journal of Physical Chemistry C, 123, 2019, 19447-19452
論文名：Preparation and characterization of organic chelate ligand (OCL)-templated
TiO2-ZrO2 nanofiltration membranes
著者名：Y. Sada, T. Yoshioka, K. Nakagawa, T. Shintani, R. Iesako, E. Kamio, H.
Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 591, 117304 (2019)
論 文 名 ： Improving chemical cleaning of fouled membranes in a drinking water
treatment plant
著者名：S. Hasegawa, Y. Tanaka, N. Wake, R. Takagi, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Water Science and Technology : Water Supply, 19, 2330-2337(2019)
論 文 名 ： Enzyme-aided forward osmosis (E-FO) process to enhance removal of
micropollutants from water resources
著者名：C. Liu, R. Takagi, L. Cheng, D. Saeki, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 593, 117399 (2019)
論 文 名 ： Size-Dependent Photocatalytic Activity of Cubic Boron Phosphide
Nanocrystals in the Quantum Confinement Regime
著者名：H. Sugimoto, B. Somogyi, T. Nakamura, H. Zhou, Y. Ichihashi, S. Nishiyama,
A. Gali, M. Fujii
掲載誌，巻，ページ：Journal of Physical Chemistry C, 123, 2019, 23226-23235
論文名：Effect of mass transfer at the interface of the polymeric solution and23

extruded solvent during the air gap on membrane structures andperformances in the TIPS process using a triple-orifice spinneret
著者名：C. Fang, S. Rajabzadeh, H.C. Wu, X. Zhang, N. Kato, M. Kunimatsu, T.
Yoshioka, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 595, 117513 (2020)
論文名：An ultrathin in situ silicification layer developed by electrostatic
attraction forced strategy for ultrahigh-performance oil-water emulsions
separation
著者名：L. Zhang, Y. Lin, H. Wu, L. Cheng, Y. Sun, T. Yasui, Z. Yang, S. Wang,
T. Yoshioka, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Materials Chemistry A, 7, 24569-24582 (2019)
論 文 名 ： Improved anti-biofouling performance of polyamide reverse osmosis
membranes modified with a polyampholyte with effective carboxyl anion andquaternary ammonium cation ratio
著者名：Z. Yang, D. Saeki, R. Takagi, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 595, 117529 (2019)
論 文 名 ： Improved

water

permeability

andstructural

stabilityinapolysulfone-grafted graphene oxide composite membrane used for dye
separation
著者名：J. Li, M. Hu, H. Pei, X. Ma, F. Yan, D. Dlamini, Z. Y. Cui, B. He, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 595, 117547 (2019)
論文名：Fouling and performance of outer selective hollow fiber membrane in osmotic
membrane bioreactor: cross flow and air scouring effects
著者名：V.H. Tran, S. Lim, M. J. Park, D. S. Han, S. Phuntsho, H. Park, H. Matsuyama,
H.K. Shon
掲載誌，巻，ページ：Bioresource Technology, 295, 122303 (2020)
論 文 名 ： Design of Niobate Nanosheet-Graphene Oxide Composite Nanofiltration
Membranes with Improved Permeability
著者名：M. Kunimatsu, K. Nakagawa, T. Yoshioka, T. Shintani, T. Yasui, E. Kamio,
S. C. E. Tsang, J. Li, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 595, 117598 (2020)
論文名：Development of facilitated transport membranes composed of a dense gellayer containing CO2 carrier formed on porous cylindrical support
membranes24

著者名：E. Kamio, S. Kasahara, F. Moghadam, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Chemical Engineering Research and Design, 153, 284-293 (2020)
論文名：Swelling Resistance and Mechanical Performance of Physical Crosslink BasedPoly(vinyl alcohol) Hydrogel Film with Various Molecular Weight
著者名：W. Ma , P. Zhang , B. Zhao , J. Zhong , Z. Cao, C. Liu , F. Gong , H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 57, 1673-1683(2019)
論文名：Preparation of polyamide thin-film composite membranes using hydrophilic
hollow fiber PVDF via the TIPS process modified by PVA diffusion
著者名：Y. Yabuno, K. Mihara, K. Komatsu, S. Shimamura, K. Nakagawa, T. Shintani,
H. Matsuyama, T. Yoshioka
掲載誌，巻，ページ：Industrial & Engineering Chemistry Research,58, 21691-21699(2019)
論文名：Improving Water Permeability of Hydrophilic PVDF Membrane Prepared via
Blending with Organic and Un-organic additives for Humic Acid Separation
著者名：N. Arahman, S. Mulyati, A. Fahrina, S. Muchtar, M. Yusuf, R. Takagi, H.
Matsuyama, N. A. H. Nordin, M. R. Bilad
掲載誌，巻，ページ：Molecules, 24(22), 4099 (2019)
論文名：Effect of mixed diluents during the thermally induced phase separation
process on the structure and performance of polyvinylidene fluoride hollow
fiber membranes prepared using a triple-orifice spinneret
著者名：C. Fang, S. Rajabzadeh, W. Liu, H.C. Wu, N. Kato, Y. Sun, S. Jeon, H.
Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 596, 2020, 117715
論文名：Investigation into the Effective Chemical Structure of Metal-Containing
Ionic Liquids for Oxygen Absorption
著者名：A. Matsuoka, E. Kamio, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58, 51,
23304-23316
論文名：Construction of a stable zwitterionic layer on negatively-charged membrane
via surface adsorption and cross-linking
著者名：S.Y. Wang, L.F. Fang, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Membrane Science, 597, 2020, 117766

25論文名：A review of membrane wettability for the treatment of saline water deploying
membrane distillation
著者名：M. Yao, L.D. Tijing, G. Naidu, S.-H. Kim,

H. Matsuyama, H.-K. Shon

掲載誌，巻，ページ：Desalination, 479, 2020, 114312
論文名：Preparation of monoamine-incorporated polyamide nanofiltration membranes
by interfacial polymerization for efficient separation of divalent anionsfrom divalent cations
著者名：T. Shintani, K. Akamatsu, S. Hamada, K. Nakagawa, H. Matsuyama, T. Yoshioka
掲載誌，巻，ページ：Separation and Purification Technology, 239, 2020, 116530
論文名：Hollow Fiber-type Facilitated Transport Membrane Composed of Polymerized
Ionic Liquid-based Gel Layer with Amino Acidate as the CO2 Carrier
著者名：E. Kamio, M. Tanaka, Y.Shirono, Y. Keun,F. Moghadam, T. Yoshioka, K.
Nakagawa, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59, 5,2083-2092
論文名：Triple-layer nanocomposite membrane prepared by electrospinning based on
modified PES with carbon nanotubes for membrane distillation applications
著者名：M. R. Elmarghany, A. H. El-Shazly, S. Rajabzadeh, M. S. Salem, M. A. Shouman,
M. N. Sabry, H. Matsuyama, N. Nady
掲載誌，巻，ページ：Membranes, 2020, 10, 15
論文名：Production of High Flux Ultrafiltration of Poly(ether sulfone) Membrane
Using Nanosilica Additive Extracted from Natural Resource
著者名：S. Mulyati, S. Muchtar, M. Yusuf, N. Arahman ,S. Sofyana, C.M. Rosnelly,
U. Fathanah, R. Takagi, H. Matsuyama, N. Shamsuddin, M.R. Bilad
掲載誌，巻，ページ：Membranes, 2020, 10, 17
論文名：Preparation of a positively charged NF membrane by evaporation deposition
and the reaction of PEI on the surface of the C-PES/PES blend UF membrane
著者名：M. Bagheria, S. Rajabzadeh, M. R. Elmarghany, R. M. Moattari, O. Bakhtiarie,
A. Inada, H. Matsuyama, T. Mohammadi
掲載誌，巻，ページ：Progress in Organic Coatings, 141, 2020, 105570
論文名：Organic liquid mixture separation using an aliphatic polyketone-basedorganic solvent reverse osmosis (OSRO) membrane
著者名：C. Liu, R. Takagi, T. Shintani, L. Cheng, K. L. Tung, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 6, 7586-7594

26論文名：Energy Dissipation via the Internal Fracture of the Silica Particle Network
in Inorganic/Organic Double Network Ion Gels
著者名：T. Yasui, S. Fujinami, T. Hoshino, E. Kamio, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Soft Matter, 2020,16, 2363-2370
論文名：Flame-sprayed strontium- and magnesium-doped hydroxyapatite ontitanium
implants for osseointegration enhancement
著者名：J.Y. Wang, Y.C. Liu, G.S. Lin, H.H. Chan, Y.T. Li, Y.C. Yang, H. Matsuyama,
B.S. Lee, Y.W. Chen, K.L. (A.) Tung
掲載誌，巻，ページ：Surface and Coatings Technology, 386, 2020, 125452
論 文 名 ： Preparation of Hybrid Membranes by Incorporating Hydrophilic UiO-66
Nanoparticles for High-Performance Pervaporation Dehydration of Aprotic
Solvents
著者名：W. Ma, T. Li, Q. Zhang, J. Zhong, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Nanoparticle Research, (2020) 22:64
論 文 名 ： Effect of polyelectrolyte structure on formation of supported lipid
bilayers on polyelectrolyte multilayers prepared using the layer-by-layer
method
著者名：A. Seimei, D. Saeki, H. Matsuyama
掲載誌，巻，ページ：Journal of Colloid and Interface Science, 569, 2020, 211-218[著書]
著

書：分子シミュレーションによる多孔性無機膜の気体透過性評価、マテリアルズ・
インフォマティクスによる材料開発と活用集（共著）著者名：吉岡 朋久
巻，ページ：第 4 章 16 節 209-22
発行所，発行年：技術情報協会，2019 年[特許]
発明等の名称：選択性透過膜の製造方法および水処理方法
出願者：国立大学法人神戸大学，他２名
発明者：松山秀人，奥野健太，清明充，佐伯大輔，川勝孝博，藤村侑
出願日：2019 年 7 月 8 日
出願番号：特願 2019-126965

27発明等の名称：選択性透過膜、選択性透過膜の製造方法および水処理方法
出願者：国立大学法人神戸大学，他２名
発明者：松山秀人，清明充，吉岡朋久，古高啓介，佐伯大輔，川勝孝博，藤村侑
出願日：2019 年 7 月 8 日
出願番号：特願 2019-126966
発明等の名称：ドロー溶質及び水処理装置
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，稲田飛鳥，小山康司，三吉祐輝
出願日：2019 年 8 月 28 日
出願番号：PCT/JP2019/033777
発明等の名称：イオン性液体含有構造体の製造方法及びイオン性液体含有構造体
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：神尾英治，松山秀人，木ノ下雅之，安井知己，木村直道，伊藤悠里，井原輝一
出願日：2019 年 8 月 29 日
出願番号：特願 2019-157339
発明等の名称：イオン性液体含有構造体の製造方法及びイオン性液体含有構造体
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：神尾英治，松山秀人，木ノ下雅之，安井知己，木村直道，伊藤悠里，井原輝一
出願日：2019 年 8 月 29 日
出願番号：PCT/JP2019/034024
発明等の名称：正浸透膜モジュール発電システム
出願者：国立大学法人神戸大学
発明者：岸本通雅，熊谷和夫，松山秀人
出願日：2019 年 9 月 1 日
出願番号：特願 2019-159194
発明等の名称：エーテル誘導体の製造方法
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，稲田飛鳥，弓矢健一郎，高瀬一郎，浜田豊三，橋爪陽子
出願日：2019 年 9 月 4 日
出願番号：特願 2019-161210
発明等の名称：エーテル誘導体の製造方法
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，稲田飛鳥，弓矢健一郎，高瀬一郎，浜田豊三，橋爪陽子
出願日：2019 年 9 月 11 日

28

出願番号：PCT/JP2019/035693
発明等の名称：ポリフッ化ビニリデン樹脂製多孔膜及びその製造方法
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，西谷允一，長谷川泰彦
出願日：2019 年 12 月 25 日
出願番号：PCT/JP2019/050997
発明等の名称：換気装置
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，神尾英治，梅本勝弥，奥村寿浩，福本康二，梅村友章
出願日：2020 年 1 月 24 日
出願番号：PCT/JP2020/002544
発明等の名称：酸素吸収能を有する液体状金属錯体
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：中西康哲，松山秀人，神尾英治，松岡淳
出願日：2020 年 3 月 4 日
出願番号：PCT/JP2020/009190
発明等の名称：オレフィン/パラフィン分離用複合分離膜及びその製造方法
出願者：国立大学法人神戸大学，他１名
発明者：松山秀人，西谷允一
出願日：2020 年 3 月 19 日
出願番号：特願 2020-049976

29

別紙１
様式（年次報告書）
令和

年

月

日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 構造ベース創薬研究プロジェクト研究代表者 部局・専攻・氏名 学術・産業イノベーション創造本部・鶴田宏樹
外 部 資 金

科学研究費補助金

獲 得 実 績奨学寄附金

特許出願件数

0 件，

0 千円， 受託研究経費

0 千円

1,010 千円， 共同研究経費
論文発表件数

1 件，

著書数

0 千円
0件

２．構成員とその役割分担
氏

名

部局・専攻

役

割

分

担

鶴田宏樹

学術・産業イノベーション創 プロジェクトマネジメント・構造生物
造本部・社会実装デザイン部 学研究・人材育成プログラム開発
門

田中成典

システム情報学研究科・計算 計算科学研究
科学専攻

森一郎

科学技術イノベーション研究 創薬化学・計算科学研究科

保多隆裕

医学部附属病院臨床研究推進 臨床研究デザイン
センター

立岡俊雄

学術・産業イノベーション創 知財戦略研究
造本部・産学連携・知財部門

忽那憲治

科学技術イノベーション研究 研究成果に基づく起業支援科

祗園景子

工学研究科・市民工学専攻

分子生物学研究高岡 裕

医学部附属病院医療情報部

計算科学研究山本雅貴

理化学研究所播磨 SPring-8 セ 放射光科学・構造生物学
ンター
先進科学技術基盤活用マネージメン
ト横山和司

兵庫県立大学 放射光ナノテ 放射光科学・先進科学技術基盤活用マ
クセンター／神戸大学学術・ ネージメント
産業イノベーション創造本部

小林薫

こばやし耳鼻咽喉科／神戸大 蛋白質科学・ターゲットタンパク質の学学術・産業イノベーション 大量生産技術
創造本部

30

佐藤秀行

オープンアイ・ジャパン株式 計算科学・人材育成プログラム開発
会社／神戸大学学術・産業イ
ノベーション創造本部

福澤 薫

星薬科大学

計算科学研究中島史雄

カルナバイオサイエンス／神 計算科学研究
戸大学学術・産業イノベーシ
ョン創造本部31

３．研究成果の概要等について
概要】本プロジェクトは、医療産業都市であるポートアイランド地区からイノベーションを創出することを目的として、構造ベース創薬に焦点をあてた“創薬イノベーション・
エコスシステム”の構築を図る。そのミッションにおいて、ⅰ）統合研究拠点への新規創薬技術の集約、ⅱ）創薬研究と創薬イノベーター育成、ⅲ）「計算科学」と「放射光科学」の融合によるイノベーション創出、といった３つの事業を展開している。
国家基幹産業である製薬産業においては様々な理由から新薬が創成されにくい現状がある。創薬ターゲット・創薬技術双方に関して産学連携の促進により現状を打破したい
といった傾向が強まっている。大学（アカデミア）側においても医学研究科を含む生命科学系研究科の教員が生み出した研究成果、特に疾患関連研究の成果を産業界に移転するためには、その成果に基づいてヒット＆リード化合物を生み出す必要がある。日本の知識集約型産業である製薬産業を活性化させるためにはこの「産」と「学」のギャップを埋めるためのセカンドプレーヤー（疾患関連研究を進めるのがファーストプレーヤーと位置づけた場合）が必要とされている。創薬研究は 110 以上の学問領域が関与する異分野融合の学術領域である。その中の一つの手法である構造ベース創薬においても「構造生物学」、「計算科学」、「創薬化学」の融合が必要とされる。
兵庫・神戸地区には大型放射光施設 SPring-8 やスーパーコンピュータ（京・FOCUS）などが設置され、ポートアイランド地区には「医療産業都市」といった医療クラスターが形成されている。また神戸大学医学研究科を含む生命科学系研究科には、疾患関連研究の優れた成果が蓄積されている。このような「地の利」と「優れた成果」をうまく活用してアカデミアの研究成果を技術移転できる化合物に転換することは大学の技術移転機能の一つであると言える。そこで神戸大学連携創造本部は「応用構造科学産学連携推進センター（CASS）」を設置した。
本プロジェクトは、工学研究科、システム情報学研究科・医学部附属病院の教員を核として、学術・イノベーション創造本部・社会実装デザイン部門 応用構造科学産学連
携推進室（CASS：平成 28 年 10 月に改組）がマネージメントをすることで、構造ベース
創薬研究「放射光を利用した構造科学に基づく先進的創薬の研究」として開始した。このプロジェクトでは、地域イノベーションの加速を目標に、①先進的構造ベース創薬研
究のための有効な技術の目利きを行い、医療産業都市であるポートアイランド地区に技術・ノウハウを“アグリゲート”した融合型研究プラットホーム「創薬イノベーション・
エコシステム」の構築を進め、②アカデミア創薬の“セカンドプレーヤー”としてアカ
デミア創薬研究を進展させるとともに、③創薬研究人材・イノベーターの育成を行う、
これら３つの事業を展開している。このエコシステムは、構造ベース創薬研究の主体である CASS とシステム情報学研究科に加え、本学経営学研究科や理化学研究所播磨放射光科学総合研究センター、兵庫県立大学放射光産業利用機構ナノテク研究センター、（財）
計算科学振興財団などに加え、製薬企業、情報系企業等で形成されている。この連携において CASS は構造生物学研究を分担するとともにプロジェクト戦略立案機能を担っている。
【研究成果の状況】
ⅰ）創薬イノベーション・エコシステムの構築
各研究項目の成果については以下に列記する。本プロジェクトの基盤となる“創薬イノベーション・エコシステム”の構築については、構造ベース創薬研究に基本となる研究インフラ・技術（放射光技術、タンパク質結晶構造解析技術、ドッキングシミュレー
ション技術など）は既に集積され、その過程で課題として抽出された人材育成のための連携体制も既に構築されつつある。しかし、放射光技術と計算科学技術をシームレスに創薬研究に活用するためには、溶液散乱解析によるタンパク質の動的構造解析の創薬研

32

究への適用や水素位置情報などを含む超高分解能構造情報の取得を可能とする電子密度
情報改良技術の開発などが必要である。その融合技術と実証についての研究を、カルナ
バイオサイエンスの創薬ターゲットを対象にする共同研究として開始した。
ⅱ）創薬研究の成果○脂質代謝異常（ターゲット：Endothelial Lipase、Hepatic Lipase、Lipoprotein Lipase）
血管内皮リパーゼ（Endothelial Lipase、EL：482 残基のホモダイマー、94.5kDa）は、
血液中の善玉コレステロール（HDL-C）の代謝に関わる酵素であり（Hirata, et al.
JBC,1999）、脂質異常症の一つである低 HDL-C 血症に直接関与することが本学医学研究
科平田研究室（循環器内科）で明らかとされた。低 HDL-C 血症は、動脈硬化症の重要な危険因子の一つであり、その治療薬の開発は世界的な急務である。
これまで、
EL の HDL-C
代謝における病態生理学的な意義が明らかとされてきた。EL はホスホリパーゼ A1 活性を有し、HDL 対して高い選択性を示す。さらに、実際に EL が血清 HDL-C の規定因子であることをマウス(Ishida,et al.J Clin Invest,2003)及びヒト(Kojima,et al
CVR,2010)で証明した。血管障害や炎症によって EL 発現は亢進し、低 HDL-C 血症を助長して動脈硬化を重篤化させていると考えられる(Ishida,et al.JBC,2004)。
さらにマウスにおいて EL の不活性化により、動脈硬化の抑制が確認された(Ishida,et al.JBC,2004)。
昨年度までに、宿主系としてヒト胎児腎臓由来 HEK293S GnTI–
細胞で発現したヒト EL タンパク質を SAXS に供試することで EL が溶液中で単量体であることを明示した。今年度は EL 機能と対の機能を有する悪玉コレステロール代謝酵素である Hepatic Lipase（HL）、Lipoprotein Lipase（LPL）の発現・精製・結晶化も試み、
脂質異常関連リパーゼ群全ての結晶化に成功した。各タンパク質は微小な平板状結晶として得られたが、世界最高性能の SPring-8 ビームライン BL32XU を用いてでさえ構造解析に十分な回折データ及び位相情報を得る事ができなかった。そこで、BL32XU での回折実験に最近開発・整備された溶液フリーマウント法を組み合わせることで初めて構造モデル構築に十分な位相情報の取得に成功した。平成 27 年度に得られた回折データの質の向上と分解能の向上を図り、現在回折データからの高分解能構造モデルの構築を行なっている。平成 29 年度は構造モデルの構築を実施したが、現在のところ解析に十分なデータ取得にいたっていない。
○炎症・ガン転移（ターゲット：Sphingosine Kinase SPHK 1&2）
スフィンゴシンキナーゼはスフィンゴシンの１位の水酸基リン酸化し、スフィンゴシ
ン１リン酸（S1P）を産生する酵素である。S1Ph は血管新生、リンパ球の運動性の調節や神経伝達物質の放出調節など多彩な生理作用を示す。このことから、S1P をリン酸化、
すなわち合成する SPHK は、細胞増殖、アポトーシスの抑制、細胞運動の亢進、免疫機能の調節さらには神経伝達物質の放出などに関与する。本学医学研究科生化学研究室（中村俊一教授）において、SPHK 2 の活性がガン転移に関わっていることが明らかとされた。特に SPHK 2 がガン細胞への誘導に関連するある種のキナーゼ群の細胞外放出に関わることが示され、その機能を阻害する化合物がガン転移に有効であることが示唆された。昨年度には Sf9 昆虫細胞で発現させた組換え SPHK 2 の分離精製を行い、結晶化条
件のスクリーニングを実施したが結晶化に適した材料ではないことが判明した。宿主瀬細胞をより創薬に適したヒト胎児腎臓由来 HEK293S GnTI–細胞に変更し、組換え SPHKの発現・分離精製系の確立を試み成功した。ターゲットの POM（Proof of Mechanism）に資するためのタンパク質の安定供給系の構築に成功しているが、平成 29 年度は結晶化
条件の検索を実施したが現在のところ解析に十分な結晶を得るにいたっていない。
ⅲ ）「計算科学」と「放射光科学」の融合によるイノベーション創出
ひょうご・神戸地区には、世界に誇る先進技術基盤として、播磨地区の大型放射光施設 SPring-8、神戸ポートアイランド地区の超並列計算資源 京コンピュータが存在する。

33

これら世界に誇る研究開発リソースを融合することで生まれる地域のイノベーションを加速させることが連携創造本部のミッションとして定義されている。２つの研究技術基盤の現状とその融合に必要な要素について、平成 27 年度に JST「我が国の未来を拓く地域の実現に関する調査研究」事業の支援を受け、兵庫県立大学、理化学研究所 計算科学研究機構（AICS）、理化学研究所 放射光科学総合研究センター（SPring-8）と共同で、「計
算と放射光の融合活用した理論的分子設計が実現する近未来型ものづくりプロセス」をテーマにした調査研究を実施した。その結果、産業界（技術のユーザ）が望むのは、単一技術ではなく融合され、実効性のあるシームレスな技術プラットホームである。即ち、上記の産業界の課題に即した技術の融合が必要である。産業界のニーズの正確な把握→技術の組み合わせ・ギャップの抽出（産学でのプロジェクト・デザイン）→コンソーシ
アム化、実証・実用化研究→社会実装のスキームが重要であることを導いた。平成 27 年度〜28 年度においては、システム×デザイン思考を活用して「ポスト京コンピューター」
構築の戦略立案に資する「ポスト京」の社会受容性を検討するアウトカム調査研究を文部科学省研究振興局・計算科学技術推進室と理化学研究所計算科学研究機構との共同研
究として実施した。その結論として、ポスト京を含む次世代スーパコンピューターは「人間形成」をアウトカムとし文理融合型の研究のエンジンとなるべきであることを導き出した。本共同研究で、学術価値を社会的価値に変換するための集合知活用フレームワー
クを構築することができた。その知見を生かして先進技術基盤である SPring-8 と京コン
ピューターの融合によるイノベーション創出を目指す。

34

４．論文・著書・特許出願リスト＊当該年度において学術誌などに発表した論文・著書等の著者，発表論文名，掲載誌，巻号，ページ，年の各項目及び特許出願について記載して下さい。（受理証明があるものも
記載可）
[論文]
論文名：Effects of the expansion of bacterial colonies into the intervillous spaces on thelocalization of several lymphocyte lineages in the rat ileum
著者名：H. Yuaksa, Y. Mantani, M. Nishida, M. Arai, H. Tsuruta, 他 3 名掲載誌，巻，ページ：he Journal of Veterinary Medical Science, 81 (4), pp 555-566, 2019 年

35

別紙１
様式（年次報告書）
令和２年５月７日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 国際健康学研究
部局・専攻・氏名 システム情報学研究科・システム科学専攻・羅志偉

研究代表者

外 部 資 金

科学研究費補助金

獲 得 実 績奨学寄附金

特許出願件数件，700 千円，

受託研究経費千円，
論文発表件数千円

共同研究経費

8 件，

千円

著書数

3件

役

割

２．構成員とその役割分担
氏

羅

名

志偉

部局・専攻

システム情報学研究科システム 総括
科学専攻

全

昌勤

システム情報学研究科システム 健康情報解析
科学専攻

坂本 憲広

医学研究科バイオメディカルサ
イエンス専攻加藤 佳子

人間発達環境学研究科人間発達 健康食科学
専攻
認知行動研究

喜多 伸一

人文学研究科社会動態専攻

松尾 貴巳

経営学研究科会計システム専攻 ヘルスケア組織

36

分

担

３．研究成果の概要等について

本研究プロジェクトは、超少子高齢化社会における健康に関わる学際連携研
究、産学連携研究を推進し、今年度は主に以下の研究を研究科横断で行い、数多くの研究成果を得ることができた。

まず、健康機器関連の企業との研究交流を活発に行い、企業で開発されている理学療法用機器の工学的な評価研究を実施した。具体的には、脊髄療法（SD）を行う理学療法機器における人間の脊髄剛性の高速推定について、システム制御理論による推定方式を開発し、既存手法に比べて 10 倍以上の速さで被験者の脊髄剛性の高速推定を実現できた。この部分の研究成果は、システム制御情報学会の学術講演会で口頭発表された。
また、人工知能とデータサイエンスの技術発展を重要視して、本年度は主に人間の身体姿勢識別について活発な研究展開を実施した。ここでは、世界座標のカメラから撮影された画像により、撮影された人物の頭部、肩、上半身、上肢と下肢などの各身体部分の抽出を行っている。具体的には、画像における一人 物 に 対 応 し て 計 17 点 で 対 応 さ せ 、大 量 な テ ス ト 画 像 と そ れ に 対 応 す る 人 物 の
身 体 部 位 に 関 す る 17 点 の 位 置 座 標 を 教 師 信 号 と し て 、教 師 あ り の 深 層 学 習 で 画像による人物の身体各部位の情報を抽出するための学習方式について研究してい る 。従 来 の 処 理 方 式 で は 、人 物 の 各 身 体 部 位 に 対 応 す る 17 点 に つ い て 、１ 点
づつ取り上げて学習を行うこととなっており、大量な計算を必要とされるだけ
でなく、画像における複数の人物の身体情報抽出は困難であった。これに対して 、本 研 究 で は 、身 体 部 位 に 対 応 す る 17 点 を グ ル ー プ 分 け で 深 層 学 習 を 行 う ことを提案され、また従来手法との性能比較を行い、その結果若干の性能改善が
認 め ら れ た 。こ の 部 分 の 研 究 成 果 は 、査 読 付 き の 国 際 論 文 誌 Pattern Recognitionに発表された。
本研究プロジェクトは、以上各の学際共同研究、企業との共同研究だけでな
く 、 地 元 神 戸 市 が 推 進 し て い る 医 療 産 業 都 市 構 想 と も 協 力 し 合 い 、 恒例の市民向けの令和元年度神戸医療産業都市・京コンピュータ一般公開にて「 健康福祉の新技術開発コーナー展示」神戸大学 羅研究室で出展するなど活発な社会還元活動を推進し、日本国内外から高く評価された。
さらに、本学主催の国際交流活動に積極的に貢献をし、JST のさくらサイエンス事業や、中国科学院大学といったトップレベルの大学との各種交流活動、そして EU における本学主催の学術活動に積極的に参加をし、研究成果の披露を行った。
今年度も１名の学生が博士学位を取得できた。

37

４．論文・著書・特許出願リスト[論文]
論文名：Cluster-wise Learning Network for Multi-person Pose Estimation
著者名：Y. Zhao, Zhiwei Luo, Changqin Quan, D.Liu, and G. Wang
掲載誌，巻，ページ：Pattern Recognition, p.107074, 2019.
論文名：Lite Hourglass Network for multi-person pose estimation, MultiMedia
Modeling
著者名：Y. Zhao, Zhiwei Luo, Changqin Quan, D.Liu, and G. Wang
掲載誌，巻，ページ：26th International Conference, MMM 2020, , January 5–8, 2020,
Proceedings[M]. Springer, 2020
その他

受理された国際論文 6 件[著書]
１．放送大学出版「生活環境と情報認知」共著

38

別紙１
様式（年次報告書）
令和 2 年 5 月 8 日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 惑星科学国際教育研究プロジェクト
部局・専攻・氏名 理学研究科惑星学専攻

研究代表者

外 部 資 金

科学研究費補助金 67,892 千円，

獲 得 実 績奨学寄附金 3,400 千円，

特許出願件数0 件，

林 祥介

受託研究経費 71,259 千円

共同研究経費 36,637 千円

論文発表件数

25 件，

著書数

0件

２．構成員とその役割分担
氏
林

名

祥介

部局・専攻

役

割

分

担

CPS センター長

理学研究科惑星学専攻

惑星大気シミュレーションモデルの開発と大気循環構造の解明
牧野淳一郎

CPS 副センター長

理学研究科惑星学専攻

計算惑星学
荒川 政彦

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
小天体の衝突現象に関する実験
的研究

大槻 圭史

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
衛星・リングの起源および太陽系小天体観測に関する研究高橋 芳幸

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
古火星大気放射モデルの構築とそれを用いた大気大循環の数値
実験

中村 昭子

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
鉄質小天体表面の衝突進化の研
究

斎藤 貴之

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員銀河の形成と進化の研究

瀬戸 雄介

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
惑星構成物質の微細組織に関する鉱物学・結晶学的研究

39山﨑 和仁

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員（１）応力ひずみ空間における不適合条件の双対性（２）カタスト
ロフィックシフト過程におけるJ-N 安定性

保井 みなみ

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
小惑星及び氷衛星のクレーター形成過程に関する実験的研究

樫村 博基

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
全球非静力学火星大気モデルの開発と高解像度計算

筧 楽麿

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
東北日本で発生するスラブ内地
震，プレート境界地震，アウター
ライズ地震による強震動と島弧の減衰構造に関する研究平田 直之

理学研究科惑星学専攻

CPS 研究員
小惑星 RYUGU の画像データ解
析

播磨 尚朝

理学研究科物理学専攻

CPS 研究員
多極子伝導系の物理の推進

大道 英二

理学研究科物理学専攻

CPS 研究員
磁性体・超伝導体の強磁場物性の
研究

岩澤 全規

理学研究科

特命准教授
並列粒子シミュレーションコード
開発フレームワーク（FDPS）の
開発

臼井 文彦

理学研究科

特命助教
近赤外線分光観測による小惑星の含水鉱物探査野村 昴太郎

理学研究科

特命助教
粒子系シミュレーションの高速化

河野 郁也

理学研究科

学術研究員
高効率・高速処理を可能とする AI
チップ・次世代コンピューティン
グの技術開発

河合 佑太

理学研究科

学術研究員
大気海洋海氷結合モデルを用いた
海惑星気候の探索

40

大淵 済

理学研究科

研究員
地球型惑星大気の大循環構造のより良い理解に向けた予備的研究

41

３．研究成果の概要等について

本 プロジェクトでは、天 文 学 から地 球 科 学 にわたる全 国 の研 究 者 の連 携 融 合 を促 し、
惑 星 ・惑 星 系 の形 成 進 化 多 様 性 と惑 星 表 層 環 境 の可 能 な姿 を探 究 する総 合 的 な研 究を推 進 し、生 命 の発 生 と生 存 の議 論 につなげるべく、惑 星 科 学 研 究 センター(CPS)を立
ち上 げこれを運 営 してきました。2019 年 度 は特 に以 下 の 4 点 を軸 に活 動 を行 いました。
1. 計 算 惑 星 学 分 野 の研 究 推 進 事 業
実 験 が不 可 能 な惑 星 の起 源 ・進 化 や惑 星 環 境 の変 動 といった現 象 を、「京 」やポス
ト「京 」（「富 岳 」）などのスーパーコンピュータを用 いた大 規 模 数 値 シミュレーションによって解 明 する。
2. 惑 星 探 査 コンソーシアム推 進 事 業
太 陽 系 探 査 計 画 におけるミッションの企 画 ・創 出 とそれを担 う人 材 育 成 を目 的 とした「惑 星 探 査 コンソーシアム」計 画 をリードする。
3. 研 究 交 流 事 業
国 内 外 の著 名 講 師 による惑 星 科 学 一 般 の最 先 端 講 義 と国 際 交 流 の場 を提 供 する。また、多 数 の実 習 ・セミナー等 を支 援 する。
4. ネット図 書 館 事 業
上 記 1-3の活 動 で得 られた知 見 をウェブ上 に集 積 公 開 し、分 野 横 断 的 な教 育 研 究
活 動 を奨 励 する。
これによって、CPS という我 が国 の当 該 分 野 には他 に類 を見 ないユニークな機 能 を維 持
し、コミュニティの中 核 としてこれを機 能 させ、神 戸 大 学 のプレゼンス向 上 に当 該 分 野 から寄 与 してきました。
惑 星 科 学 ・地 球 科 学 ・宇 宙 生 物 学 で扱 う現 象 は観 測 ・実 験 だけでは探 求 不 可 能 な対象 を多 々有 するため、計 算 科 学 やデータ科 学 の手 法 を用 いたアプローチが必 須 であります。これについて、次 世 代 高 機 能 計 算 機 を含 む様 々な計 算 資 源 の活 用 による惑 星 ・
惑 星 系 の形 成 進 化 多 様 性 の研 究 、データ同 化 に象 徴 される観 測 とシミュレーションの融合 、また、これらに必 要 となる計 算 環 境 やソフトウェアの開 発 を主 な目 的 として活 動 を展開 するとともに、全 国 の関 連 研 究 者 との連 携 を促 進 しました。さらに、これまで行 ってきた
知 見 の集 積 ・シミュレーション・データに、AI コンピューティングの手 法 を導 入 することで融合 進 化 していくことを意 図 した専 用 アーキテクチャの開 発 も推 進 しました。
既 存 の計 算 資 源 の活 用 としては、文 部 科 学 省 委 託 研 究 事 業 「ポスト「京 」で重 点 的 に
取 り組 むべき社 会 的 ・科 学 的 課 題 に関 するアプリケーション開 発 ・研 究 開 発 」に基 づき、
国 内 9 か所 の大 学 研 究 機 関 と連 携 して理 化 学 研 究 所 のスーパーコンピュータ「京 」および後 継 機 「富 岳 」による大 規 模 シミュレーションの研 究 開 発 、それに関 連 した研 究 会 やソ
フトウェア講 習 会 を開 催 しました。
系 外 惑 星 を含 む地 球 型 惑 星 大 気 研 究 について、藤 原 科 学 財 団 の助 成 を受 けた国
際 会 議 「International Venus Conference」(2019 年 5 月 31 日 -6 月 3 日 、北 海 道 ニセコ)や自 然 科 学 研 究 機 構 アストロバイオロジーセンターとの共 催 で国 際 ワークショップ「Climates of Terrestrial Planets in Various Solar Systems」(2020 年 2 月 11 日 -12 日 、
CPS セミナー室 )などを開 催 し、また 2019 年 度 に採 択 された科学研究費補助金・基盤研究42

S「あかつきデータ同 化 が明 らかにする金 星 大 気 循 環 の全 貌 」(代 表 ：林 祥 介 )と合 同 で汎
惑 星 気 象 学 ・気 候 学 の確 立 に向 けたシミュレーションモデルの研 究 開 発 を推 進 しました。
新 たなアーキテクチャ開 発 事 業 としては、新 エネルギー・産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 による「高 効 率 ・高 速 処 理 を可 能 とする AI チップ・次 世 代 コンピューティングの技 術 開 発 プ
ロジェクト (1) 革 新 的 AI エッジコンピューティング技 術 の開 発 」に基 づき、株 式 会 社
Preferred Networks との共 同 研 究 で高 効 率 ・高 速 処 理 を可 能 とする AI チップの開 発 に
向 けた研 究 を進 め、特 に電力性能向上のための回路方式の検討を行いました。文部科学省
次世代領域研究開発(高性能汎用計算機高度利用事業費補助金)「ヘテロジニアス・メニーコア
計算機による大規模計算科学」では理化学研究所他と共同で、高いメモリバンド幅をもつヘテロ
ジニアス・メニーコアプロセッサに対する新しいプログラミングモデルを確立し、多様なアプリケー
ションやアルゴリズムに対しての有用性を実証してきました。
計算科学振興財団による研究教育拠点(COE)形成推進事業「ポスト「京」、ポスト・ポスト「京」をみすえたハードウェア・アルゴリズム・ソフトウェアの総合的研究」では、理化学研究所と共同で
地球惑星数値シミュレーションに関する情報収集を行い、さらに気象気候共通ライブラリ等のPEZY-SC プロセッサ使用のサーバ等の超メニーコアプロセッサへの移植可能性について検討を行ってきました。株式会社テラピクセル・テクノロジーズとの共同研究部門として CPS 内に高性
能プロセッサコデザイン部門を設立し、大規模シミュレーション・人工知能・データサイエンス応用に特化した高性能プロセッサを、アプリケーション開発・それによる惑星学を中心とするサイエンス研究と一体となって推進し、シミュレーションやデータサイエンス等の手法による惑星学・計算科学の発展を推し進めました。
これまで数 年 にわたって進 めてきた太 陽 系 探 査 計 画 に対 するミッションの企 画 ・創 出 とそれを担 う人 材 育 成 についての活 動 は、太 陽 系 探 査 が国 策 的 にも推 進 されつつあるという情 勢 を受 けて、日 本 学 術 会 議 の大 型 計 画 として日 本 惑 星 科 学 会 と地 球 電 磁 気 ・惑
星 圏 学 会 が連 名 で申 請 している「惑 星 探 査 コンソーシアム」計 画 の提 案 幹 事 として尽 力してきました。この活 動 の一 環 として、東 北 大 学 惑 星 プラズマ・大 気 研 究 センターとの共同 研 究 の下 、日 本 惑 星 科 学 会 主 催 の「惑 星 科 学 探 査 の将 来 構 想 検 討 会 」(2019 年 10
月 6 日 、京 都 )を共 催 し、惑 星 科 学 探 査 に関 する近 年 の国 内 外 の情 勢 についての情 報
共 有 と、将 来 の惑 星 科 学 ・太 陽 系 科 学 研 究 領 域 の目 標 や戦 略 についての議 論 を行 いました。
本 プロジェクトで 2020 年 2 月 -3 月 に主 催 ・共 催 を予 定 していた複 数 の研 究 会 ・ワークショップや実 習 会 は、新 型 コロナウイルス感 染 拡 大 の影 響 からオンライン開 催 としました。
CPS ではかねてよりテレビ会 議 やウェブ会 議 システム Zoom を積 極 的 に取 り入 れてきたことから、大 きな負 担 もなく遠 隔 参 加 を受 け入 れることが可 能 でした。この知 見 は学 内 外 へ
提 供 し、遠 隔 講 義 等 に活 用 されました。
令 和 2 年 度 も、CPS は全 国 の惑 星 科 学 研 究 のハブとして活 動 を続 けていきます。これによって、神 戸 大 学 の惑 星 科 学 研 究 の推 進 力 となると同 時 に、全 国 の惑 星 科 学 のコミュ
ニティと連 携 した活 動 を続 けていきたいと思 います。具 体 的 活 動 については CPS のウェ
ブページ(https://www.cps-jp.org/)をご覧 ください。

43

先 端 融 合 研 究 環 (統 合 研 究 領 域 )シンポジウム 「最 新 科 学 で迫 る月 と地 球 の起 源 」
日 時 ：2019 年 10 月 15 日 （火 ）13:30～18:00
会 場 ：神 戸 大 学 先 端 融 合 研 究 環 統 合 研 究 拠 点 コンベンションホール
主 催 ：神 戸 大 学 先 端 融 合 研 究 環 (統 合 研 究 領 域 )
共 催 ：ひょうご神 戸 サイエンスクラスター協 議 会 、ポスト「京 」萌 芽 的 課 題 (3)太 陽 系 外 惑
星 (第 二 の地 球 )の誕 生 と太 陽 系 内 惑 星 環 境 変 動 の解 明 、神 戸 大 学 大 学 院 理
学 研 究 科 附 属 惑 星 科 学 研 究 センター
参 加 人 数 ：24 名
開催概要：
アポロ 11 号 による人 類 初 の月 面 着 陸 から 50 年 、月 の科 学 は大 きく進 展 してきた。月は、集 積 過 程 や衝 突 現 象 といった惑 星 の起 源 を知 る上 で重 要 な対 象 である。地 球 を含む惑 星 や太 陽 系 の形 成 と進 化 の理 解 に直 結 する月 研 究 の最 新 成 果 の議 論 を目 的 として本 シンポジウムを開 催 した。
本 シンポジウムでは、国 内 外 の研 究 者 による 5 件 の講 演 があった。牧 野 淳 一 郎 氏 (神戸 大 学 )は、スーパーコンピュータ「京 」および次 世 代 機 「富 岳 」の概 要 やこれらの計 算 科
学 分 野 における歴 史 的 位 置 づけについて解 説 し、今 後 の方 向 性 について議 論 した。細野 七 月 氏 (海 洋 研 究 開 発 機 構 )は、現 在 の地 球 および月 を作 った原 因 とされる巨 大 衝 突
仮 説 の大 規 模 数 値 シミュレーションについて紹 介 した。特 に、地 球 のマグマオーシャンの存 在 が月 の形 成 に大 きく寄 与 することを示 した。亀 山 真 典 氏 (愛 媛 大 学 )は、岩 石 惑 星
内 部 の熱 的 ・化 学 的 進 化 の過 程 を追 求 するには火 成 活 動 を考 慮 したマントル対 流 モデ
ルを正 しく理 解 する必 要 があることを解 説 した。大 竹 真 紀 子 氏 (宇 宙 航 空 研 究 開 発 機
構 )は月 周 回 衛 星 「かぐや」による観 測 データについて紹 介 し、探 査 機 による月 全 球 の観測 を行 うことで、アポロ計 画 で採 取 された月 試 料 と相 補 的 な知 見 が得 られることを示 した。唐 戸 俊 一 郎 氏 (米 国 イエール大 学 )は現 在 の月 研 究 の現 状 と課 題 について総 括 した。月 試 料 の解 析 から地 球 と月 の同 位 体 比 が精 度 よく一 致 していること、月 に揮 発 性 成
分 の水 が存 在 していることを説 明 するために物 理 化 学 的 性 質 を正 しく捉 える必 要 があることを説 明 した。これを解 くには液 体 の存 在 がきわめて重 要 であり、天 体 形 成 時 に液 体が生 成 されることを考 慮 することで諸 問 題 が解 決 できることを主 張 した。
講 演 の中 で多 くの質 疑 があり、探 査 機 による観 測 データの解 釈 と、それを説 明 する惑
星 形 成 ・月 形 成 のモデルの構
築 、それに重 要 となる大 規 模
数 値 計 算 といったそれぞれの役 割 が再 認 識 された。 我 々にとって身 近 な天 体 である月 の
謎 について多 角 的 に挑 む最新 科 学 が紹 介 され、神 戸 大 学
内 外 からの学 部 生 ・大 学 院
生 ・研 究 員 ・教 員 と幅 広 い参
加 者 にとって非 常 に有 意 義 なシンポジウムとなった。

44

４．論文・著書・特許出願リスト[論文]
論文名： Terrestrial magma ocean origin of the Moon
著者名： Hosono Natsuki*, Karato Shun-ichiro*, Makino Junichiro*, Saitoh R.
Takayuki*
雑誌名, 巻, ページ： Nature Geoscience, 12 巻, 6 号, pp.418-423, 2019.4
論文名： Formation of the Y Feature at the Venusian Cloud Top by Planetary‐Scale
Waves and the Mean Circulation: Analysis of Venus Express VMC Images
著者名：

Y. Nara, T. Imamura, S. Murakami, T. Kouyama, K. Ogohara, M. Yamada,
M. Takagi H.Kashimura*, N. Sato

雑誌名, 巻, ページ： Journal of Geophysical Research: Planets, 124 巻 5 号,
pp.1143-1156, 2019.4
論文名： Stationary Features at the Cloud Top of Venus Observed by Ultraviolet
Imager Onboard Akatsuki
著者名： Kitahara Takehiko, Imamura Takeshi, Sato Takao, M, Yamazaki Atsushi,
Lee Yeon Joo, Yamada Manabu, Watanabe Shigeto, Taguchi Makoto,
Fukuhara Tetsuya, Kouyama Toru, Murakami Shin-ya, Hashimoto
George L, Ogohara Kazunori, Kashimura Hiroki*, Horinouchi Takeshi,
Takagi Masahiro
雑誌名, 巻, ページ： JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-PLANETS,
124 巻, 5 号, pp.1266-1281, 2019.4
論文名： Experimental study on gravitational and atmospheric effects on crater size
formed by low-velocity impacts into granular media
著者名： Masato Kiuchi, Akiko Nakamura*, Koji Wada
雑誌名 , 巻 , ページ： Journal of Geophysical Research: Planets, 124 巻 5 号 ,pp.1379-1392, 2019.5
論文名： A Comparative study of size frequency distributions of Jupiter Trojans,
Hildas, and main-belt asteroids: A clue to planet migration history
著者名： F. Yoshida, T. Terai, T. Ito, K. Ohtsuki*, P. S. Lykawka, T. Hiroi, N. Takato
雑誌名, 巻, ページ： Planet. Space Sci. 124 巻 5 号, pp.1379-1392, 2019.5
論文名： The hematite–goethite enhancement model of loess and an ‘irregular’ casefrom Paks, Hungary
著者名： B. Bradák, Y. Seto*, D. Csonka, T. Végh, J. Szeberényi
雑誌名, 巻, ページ： Journal of Quaternary Science, 34 巻, 4-5 号, pp. 299-308,

45

2019.7
論文名： Hypervelocity impacts as a source of deceiving surface signatures oniron-rich asteroids
著者名： Libourel G, Nakamura A*, M Beck, P Potin, S Ganino, C Jacomet, S
Ogawa, R, Hasegawa, S, Michel, P
雑誌名, 巻, ページ：Science Advances, 5 巻 8 号, eaav3971, 11pp, 2019.8
論文名： Boulder sizes and shape distributions on Ryugu
著者名： T. Michikami, C. Honda, H. Miyamoto, M. Hirabayashi, A. Hagermann, T.
Irie, K. Nomura, C. M. Ernst, M. Kawamura, K. Sugimoto, E. Tatsumi, T.
Morota, N. Hirata, T. Noguchi, Y. Cho, S. Kameda, T.Kouyama, Y. Yokota,
M. Hayakawa, N. Hirata*, R. Honda, M. Matsuoka, N. Sakatani, H.
Suzuki, M. Yamada, K. Yoshioka, H. Sawada, R. Hemmi, H. Kikuchi, K.
Ogawa#, S. Sugita
雑誌名, 巻, ページ： Icarus, 331 巻, pp.179-191, 2019.10
論文名： Improving Hayabusa2 trajectory by combining LIDAR data and a shapemodel
著者名： Koji Matsumoto, Hirotomo Noda, Yoshiaki Ishihara, Hiroki Senshu, Keiko
Yamamoto, Naru Hirata, Naoyuki Hirata*, Noriyuki Namiki, Toshimichi
Otsubo, Arika Higuchi, Sei-ichiro Watanabe, Hitoshi Ikeda,T akahide
Mizuno, Ryuhei Yamada, Hiroshi Araki, Shinsuke Abe, Fumi Yoshida, Sho
Sasaki, Shoko Oshigami, Seiitsu Tsuruta, Kazuyoshi Asari, Makoto
Shizugami, Yukio Yamamoto, Naoko Ogawa, Shota Kikuchi, Takanao
Saiki, Yuichi Tsuda, Makoto Yoshikawa, Satoshi Tanaka, Fuyuto Terui,
Satoru Nakazawa, Tomohiro Yamaguchi, Yuto Takei ,Hiroshi Takeuchi,
Tatsuaki Okada, Manabu Yamada, Yuri Shimaki, Kei Shirai#, Kazunori
Ogawa#
雑誌名, 巻, ページ：Icarus, 338 巻, Article 113613, 2019.3
論文名： Mid-infrared spectroscopy of zodiacal emission with AKARI/IRC
著者名： Takahashi, Aoi, Ootsubo Takafumi, Matsuhara, Hideo, Sakon, Itsuki, Usui,
Fumihiko*, Chihara, Hiroki
雑誌名, 巻, ページ：Publications of the Astronomical Society of Japan, 71 巻 6 号,
pp.110, 2019.11
論文名： Enrichment of Strontium in Dwarf Galaxies
著者名： Hirai Yutaka, Wanajo Shinya, Saitoh,Takayuki R*.
雑誌名, 巻, ページ： The Astrophysical Journal, 885 巻 1 号, 2019.11

46論文名： Are hypervelocity impacts able to produce chondrule-like ejecta?
著者名： Clément Ganino, Guy Libourel, Akiko M. Nakamura*, Patrick Michel
雑誌名, 巻, ページ：Planetary and Space Science, 177 巻 104684, 9 pp, 2019.11
論文名： Significant pedogenic and palaeoenvironmental changes during the early
Middle Pleistocene in Central Europe
著者名： B. Bradák, Y. Seto*, J. Nawrocki
雑誌名, 巻, ページ： Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 534 巻,
10935, 2019.11
論文名： New Constraint on the Atmosphere of (50000) Quaoar from a Stellar
Occultation
著者名： Ko Arimatsu, Ryou Ohsawa, George L. Hashimoto, Seitaro Urakawa, Jun
Takahashi, Miyako Tozuka, Yoichi Itoh, Misato Yamashita, Fumihiko
Usui*, Tsutomu Aoki, Noriaki Arima, Mamoru Doi, Makoto Ichiki, Shiro
Ikeda, Yoshifusa Ita, Toshihiro Kasuga, Naoto Kobayashi, Mitsuru
Kokubo, Masahiro Konishi, Hiroyuki Maehara, Noriyuki Matsunaga,
Takashi Miyata, Mikio Morii, Tomoki Morokuma, Kentaro Motohara,
Yoshikazu Nakada, Shin-ichiro Okumura, Shigeyuki Sako, Yuki
Sarugaku,Mikiya Sato, Toshikazu Shigeyama, Takao Soyano, Hidenori
Takahashi, Ken’ichi Tarusawa, Nozomu Tominaga, Jun-ichi Watanabe,
Takuya Yamashita, Makoto Yoshikawa
雑誌名, 巻, ページ：The Astronomical Journal, 158 巻 6 号,, pp.236, 2019.11
論文名： Replica exchange dissipative particle dynamics method on threadlike
micellar aqueous solutions
Yusei Kobayashi, Kentaro Nomura*, Toshihiro Kaneko, Noriyoshi Arai

著者名：

雑誌名, 巻, ページ： Journal of Physics: Condensed Matter 22 巻 11 号, 2019.11
論文名： Duality of the Incompatibility Tensor
著者名： K. Yamasaki*, T. Hasebe
雑誌名, 巻, ページ：Materials transactions, Special Issue, 2020.1
論文名：

Proximity coupling of superconducting nanograins with fractal

distributions
著者名： Takashi Uchino, Nanami Teramachi, Ryosuke Matsuzaki, Emi
Tsushima ,Shusuke Fujii, Yusuke Seto*, Kazuyuki Takahashi, Takao
Mori, Yutaka Adachi, Yukihito Nagashima, Yoshifumi Sakaguchi, Kazuki
Ohishi, Akihiro Koda, Takahiro Sakurai, Hitoshi Ohta

47

雑誌名, 巻, ページ： PHYSICAL REVIEW B, Rev. B 101, 035146, 2020.1
論文名： Talc CPO determined by improved EBSD procedure for sheet silicates:
Implications for anisotropy at the slab–mantle interface due toSi-metasomatism
著者名： Takayoshi Nagaya, Atsushi Okamoto, Ryosuke Oyanagi, Yusuke Seto*,
Akira Miyake, Masaoki Uno, Jun Muto, Simon R. Wallis
雑誌名, 巻, ページ：American Mineralogist, in press. 2020.1
論文名： Accelerated FDPS: Algorithms to use accelerators with FDPS
著者名： Masaki Iwasawa*, Daisuke Namekata, Keigo Nitadori, Kentaro Nomura*,Long Wang, Miyuki Tsubouchi, Junichiro Makino*
雑誌名, 巻, ページ：Publications of the Astronomical Society of Japan, 72 巻 1 号,
pp.13, 2020.2
論文名： Extreme-scale particle-based simulations on advanced HPC platforms
Lessons from PEZY-SC2, Sunway Taihulight and NVIDIA Volta
著者名：

Masaki Iwasawa*, Daisuke Namekata, Kentaro Nomura*, Miyuki
Tsubouchi, Junichiro Makino*

雑誌名, 巻, ページ：CCF Transactions on High Performance Computing, 2020.2
論 文 名 ： A slow-down time-transformed symplectic integrator for solving the
few-body problem
著者名： Long Wang, Keigo Nitadori, Junichiro Makino*
雑誌名, 巻, ページ：Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020.2
論文名： Collisional disruption of highly porous targets in the strength regime:
Effects of mixture
著者名： Yuichi Murakami, Akiko M. Nakamura*, Koki Yokoyama, Yusuke Seto*,
Sunao Hasegawa
雑誌名, 巻, ページ： Planetary and Space Science, 182 巻, 104819, 13pp, 2020.3
論文名： Nanosized Authigenic Magnetite and Hematite Particlesin Mature‐
Paleosol Phyllosilicates: New Evidencefor a Magnetic Enhancement
Mechanism inLoess Sequences of China
著者名： Masayuki Hyodo, Takuroh Sano, Megumi Matsumoto, Yusuke Seto*,
Balázs Bradák, Kota Suzuki, Jun-ichi Fukuda, Meinan Shi, Tianshui Yang
雑誌名, 巻, ページ： Journal of Geophysical Research - Solid Earth, 125 巻,
e2019JB018705, 2020.3

48

論 文 名 ： Numerical Simulations of Laboratory ‐ Scale, Hypervelocity ‐ Impact
Experiments for Asteroid‐Deflection Code Validation
著者名：

T. P. Remington, J. M. Owen1, A. M. Nakamura*, P. L. Miller, M. Bruck
Syal1

雑誌名, 巻, ページ：Earth and Space Science, 7 巻, e2018EA000474 , 10 pp, 2020.3
論文名：

The spatial distribution of impact craters on Ryugu

著者名： Naoyuki Hirata*, Tomokatsu Morota, Yuichiro Cho, Masanori Kanamaru,
Sei-ichiro Watanabe, Seiji Sugita, Naru Hirata, Yukio Yamamoto, Rina
Noguchi,Yuri Shimaki, Eri Tatsumi, Kazuo Yoshioka, Hirotaka Sawada,
Yasuhiro Yokota, Naoya Sakatani, Masahiko Hayakawa, Moe Matsuoka,
Rie Honda, Shingo Kameda, Mamabu Yamada, Toru Kouyama, HidehikoSuzuki, Chikatoshi Honda, Kazunori Ogawa#, Yuichi Tsuda, Makoto
Yoshikawa, Takanao Saiki, Satoshi Tanaka, Fuyuto Terui, Satoru
Nakazawa, Shota Kikuchi, Tomohiro Yamaguchi, Naoko Ogawa, Go Ono,
Yuya Mimasu, Kent Yoshikawa, Tadateru Takahashi, Yuto Takei, Atsushi
Fujii, Hiroshi Takeuchi, Tatsuaki Okada, Kei Shirai#, Yu-ichi Iijima
雑誌名, 巻, ページ： Icarus, 338 巻 1 号, pp.113, 2020.3
[著書]
なし
[特許]
なし

49

別紙１
様式（年次報告書）
令和 2 年 5 月 4 日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 次世代サブサーフェスイメージングシステム
研究代表者 部局・専攻・氏名

数理データサイエンスセンター
理学研究科・化学専攻

木村 建次郎外 部 資 金

科学研究費補助金千円， 受託研究経費 390,440 千円

獲 得 実 績奨学寄附金

千円， 共同研究経費 17,250 千円

特許出願件数2 件，

論文発表件数 1 件，

著書数

2件

２．構成員とその役割分担
氏
名木村 建次郎

部局・専攻
役
割
分
担
数理・データサイエンスセンター サブサーフェスイメージング装理学研究科・化学専攻
置開発

茶谷 絵理

理学研究科・化学専攻

サブサーフェスイメージング装
置開発

和田 昭英

理学研究科・化学専攻

可視光レーザートモグラフィに関する技術指導三木 万由子

医学部付属病院・乳腺内分泌外科 サブサーフェスイメージング医
療応用

前澤 志織

数理・データサイエンスセンター サブサーフェスイメージング装置開発

高尾 信太郎

兵庫県立がんセンター

河野 誠之

社会医療法人 製鉄記念広畑病院 サブサーフェスイメージング医
療応用

木村 憲明

（ 株 ） Integral
Science

Geometry サブサーフェスイメージング装
置開発

土井 恭二

（ 株 ） Integral
Science

Geometry サブサーフェスイメージング装
置開発

美馬 勇輝

（ 株 ） Integral
Science

Geometry サブサーフェスイメージング装
置開発

佐藤 宣夫

千葉工業大学 工学部 機械電子創 ナノ計測
成工学科

サブサーフェスイメージング医療応用

50

宮戸 祐治

大阪大学

ナノ計測

木戸彰彦

一般財団法人日本自動車研究所 サブサーフェスイメージング自ＦＣ・ＥＶ研究部
動車応用に関する技術指導

古沢 隆博

凸版印刷株式会社
業本部

生活・産業事 サブサーフェスイメージング医療応用

野村 彩英子

凸版印刷株式会社
業本部

生活・産業事 サブサーフェスイメージング医
療応用

山﨑 智彦

凸版印刷株式会社
業本部

生活・産業事 サブサーフェスイメージング蓄
電池応用

清水 俊彦

神戸市立工業高等専門学校

三熊 敏靖

日本薬科大学 分子機能科学分野 サブサーフェスイメージング防犯技術応用に関する指導平 伸二

福山大学人間文化学部心理学科

サブサーフェスイメージング防犯技術応用に関する指導大杉 朱美

福山大学人間文化学部心理学科

サブサーフェスイメージング防犯技術応用に関する指導瀬戸 康雄

国立研究開発法人理化学研究所放 サブサーフェスイメージング防射光科学研究センター
犯技術応用に関する指導舘田 英加

プレシオ国際特許事務所・弁理士 サブサーフェスイメージング知
財戦略

野北 和宏

クイーンズランド大学

電子デバイス計測呂宗昕國立臺灣大學サブサーフェスイメージング蓄電池応用に関する指導51

サブサーフェスイメージング自動車応用

３．研究成果の概要等について
乳 癌 検 診 の 課 題 、高濃 度 乳 房 問 題 は 、応 用
数学上の未解決問題、散乱の逆問題を木村らが世界で初めて解
析的に解くことによって解決策が見出され た 1.2 。こ の 解 法 は 、
多重経路散乱場の逆解析理論と呼ばれる。
物体の表面上で発した波動が物体内部の構 造 に よ っ て 散 乱 、物
体 表 面 に 散 乱 に よ っ 図 1：神戸大木村らによる多重経路散乱場の逆解析理論の発明とて 生 成 し た 波 動 が 到 トモグラフィ分野におけるブレークスルー.
達 し た 際 、こ れ ら の 観測結果を境界条件とし て 、物 体 内 部 の 3 次
元 構 造 を 、“ 多 次 元 空間の散乱場の方程式”
を解くことによって完全に決定することが で き る 。こ の 理 論 は
勿 論 、電 磁 波 、弾 性 波 、
電 子 波 な ど 、あ ら ゆ る
波 動 に 適 用 、物 体 内 部の 3 次元構造を理論的に完全に決定する
こ と が で き 、ラ ド ン 変
換のみであったトモ
グラフィ分野に革新が も た ら さ れ た 。 (図図 2：マイクロ波マンモグラフィ画像と病理診断との対応.
1) こ の 多 重 経 路 散 乱
場 の 逆 解 析 理 論 を 基 に 、こ れ ま で の AMED 医 療 分 野 研 究 成 果 展 開 事 業（ 先 端 計
測 分 析 技 術・機 器 開 発 プ ロ グ ラ ム ）、世 界 最 高 性 能 の ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 通 信 理 論を 用 い た 超 広 帯 域 レ ー ダ 、マ イ ク ロ 波 マ ン モ グ ラ フ ィ を 開 発 2-16 、約 300 人 の
臨 床 試 験 を 実 施 し (図 2)、９ ０ ％ を 超 え る 検 出 感 度 を 達 成 従 来 の 他 の 乳 癌 検 診 技
術 で は 検 出 困 難 と さ れ る 高 濃 度 乳 房 に お け る 乳 癌 、 乳 管 内 進 展 癌 を 検 出 し (図3)、一 気 に 実 用 化 に 近 づ い た 。現 在 、経 産 省 の 開 発 ガ イ ド ラ イ ン の 策 定 を す す めている。
「マイクロ波マンモグラフィが何故、Ｘ線マンモグラフィを凌駕し高 濃度乳房に有効なのか、学術的根拠」
高濃度乳房は、X 線が通りにくい乳房であり、非高濃度乳房との違いは、乳房 内 で 乳 房 全 体 に ネ ッ ト 状 に 存 在 し て い る ク ー パ ー 靭 帯 で あ る (図 4(c))。 ク ー
パ ー 靭 帯 は 、高 次 構 造 を 有 す る コ ラ ー ゲ ン 繊 維 か ら 成 り 、乳 房 の 他 の 組 織 を 占 め
る 有 機 材 料 に 比 べ て 原 子 密 度 が 高 い た め 、X 線 マ ン モ グ ラ フ ィ で は 、X 線 の 遮
断 材 料 と な る 。こ の ク ー パ ー 靭 帯 の 発 達 し た 若 年 層 の 女 性 で は 、乳 が ん 組 織 が 存
在 し た 場 合 、ク ー パ ー 靭 帯 に X 線 が 遮 断 さ れ て し ま い 、乳 が ん 組 織 の コ ン ト ラ
ス ト を 得 る こ と が で き な い 。す な わ ち 白 紙 の 画 像 と な っ て し ま う 。こ の 事 実 は 、
X 線 マ ン モ グ ラ フ ィ を 様 々 な 角 度 か ら 撮 影 す る CT 法 に 拡 張 し た 場 合 も 同 様 であ る 。CT 法 で は 、複 数 の 透 過 画 像 か ら 、ラ ド ン 変 換 に よ り 、３ 次 元 画 像 を 構 築

52

するが、白紙を何十
枚 、何 百 枚 合 成 し て も
白 紙 で あ り 、映 像 化 は
不 可 能 で あ る 。こ の ネ
ット状のクーパー靭
帯 は 乳 房 内 に て 、乳 房を取り囲むように全域 に 位 置 し て い る 。このクーパー靭帯や乳腺 や 脂 肪 な ど 、乳 房 を構成する組織のサイズ か ら 、体 積 比 率 を 概算すると９０％以上
が 脂 肪 と な る ( 図4(a))。脂 肪 自 体 は 、分子がファンデルワー
図 3：(a),(b) 乳管内進展癌の X 線マンモグラフィ画像., (c),(d)ルス力で弱く結合しマイクロ波マンモグラフィ画像, 乳管内進展癌の明瞭な映像
た状態を保っており、化に成功., (e) 健常者のマイクロ波マンモグラフィ画像.
原子密度自体は低く X
線 の 透 過 性 が 高 い が 、ク ー パ ー 靭 帯 に さ え ぎ ら れ て し ま う こ と が 、高 濃 度 乳 房 に
X 線 マ ン モ グ ラ フ ィ を 適 用 す る の が 難 し い 理 由 と な る 。乳 が ん 検 診 で X 線 マ ン
モ グ ラ フ ィ が 難 し い 場 合 、超 音 波 技 術 を 活 用 す る 場 合 が あ る 。た だ し 、超 音 波 が
乳 房 内 を 伝 搬 で き る の は 高 々 表 面 か ら １ － ２ ｃ ｍ 程 度 と な る 。そ の 理 由 は 、前 述した脂肪における分子間のファンデルワールス力による弱い結合である。マイクロ波でイメージング可能な対象を考察する場合は、対象物の電気伝導性が重要 な 要 素 と な る 。乳 房 は 、主 要 組 織 で あ る 脂 肪 や 、前 述 し た X 線 の 遮 断 材 料 で
あ る ク ー パ ー 靭 帯 は 絶 縁 体 で あ る た め 、マ イ ク ロ 波 は 貫 通 す る 。つ ま り 、極 論 す
ると乳房のサイズが無限に大きいとしてもマイクロ波は伝搬し続けることにな
る 。乳 房 を 伝 搬 し た マ イ ク ロ 波 は 、胸 筋 に 到 達 し 、胸 筋 に 吸 収 さ れ る 。す な わ ち 、
乳房は理想的なマイクロ波の吸収体上に配置されていることになる。マイクロ波マンモグラフィがなぜ乳がん検出に適しているかは、高濃度乳房であっても非高濃度乳房であってもその組成を分子論的に考察した場合、明らかに絶縁体
で あ る た め で あ り 、高 濃 度 乳 房 、非 高 濃 度 乳 房 の 双 方 に お い て 、明 瞭 に 乳 が ん を
映 像 化 す る こ と が で き る の で あ る (図 4)。

図 4：(a)乳房内の構造, (b)高濃度乳房における X 線マンモグラフィ画像とマイクロ波
マンモグラフィ画像.

53

（参考引用文献）
1. 木 村 建 次 郎 , 木 村 憲 明 , 散 乱 ト モ グ ラ フ ィ 方 法 お よ び 散 乱 ト モ グ ラ フ ィ 装
置 ,PCT/JP2014/000722
2.第 1 回 日 本 医 療 研 究 開 発 大 賞 内 閣 官 房 健 康 医 療 戦 略 室 内 閣 広 報 室 , 2017,2017 年 11 月 17 日
3. Kenjiro Kimura, Akari Inagaki, K. Yuki Mima, N. K. Doi, Nao Yamamoto,
TomokoTsuruhara, Natsuko Watanabe, Yutaka Konishi, Koji Okamoto, Yuen
Sachiko, Hajime
Matsumoto, K. Yamagami, 31th International Microprocesses andNanotechnology
Conference, The Japan Society of Applied Physics, Sapporo Park Hotel,
2018.
4. 木 村 建 次 郎 , 稲 垣 明 里 , 山 下 祐 司 , 河 野 誠 之 , 三 木 万 由 子 , 広 利 浩 一 , 橋 本 知 久 ,
佐 久 間 淑 子 , 高 尾 信 太 郎 , 土 井 恭 二 , 木 村 憲 明 , 第 64 回 応 用 物 理 学 会 春 季 学 術 講
演 会 , 横 浜 , 2017.
5. K. Kimura, A. Inagaki, S. Kono, H. Tanino, T. Hashimoto, T. Sakuma, M.
Miki, S. Takao, N.Watanabe, Y. Konishi, K. Okamoto, H. Matsumoto, K.
Yamagami, Y. Mima, K. Doi and N.
Kimura, 第 26 回 日 本 乳 癌 学 会 学 術 総 会 , 国 立 京 都 国 際 会 館 , Vol. 第 26 回 ,p.259, 2018.
6. 稲 垣 明 里 , 木 村 建 次 郎 , 木 村 憲 明 , 土 井 恭 二 , 美 馬 勇 輝 , 河 野 誠 之 , 谷 野 祐 一 ,高尾信太郎, 三木万由子, 廣利浩一, 橋本知久, 佐久間淑子, 岡本交二, 渡邊奈津
子 , 小 西 豊 , 山 神 和 彦 , 松 本 元 , 第 2６ 回 日 本 乳 癌 学 会 学 術 総 会 , 国 立 京 都 国 際 会
館 , 2018.
7. 木 村 建 次 郎 , 稲 垣 明 里 , 高 尾 信 太 郎 , 小 西 豊 , 渡 邊 奈 津 子 , 岡 本 交 二 , 松 本 元 ,山 神 和 彦 , 美 馬 勇 輝 ,土 井 恭 二 , 木 村 憲 明 , 第 40 回 日 本 乳 腺 甲 状 腺 超 音 波 医 学 会 学術 集 会 , 京 王 プ ラ ザ ホ テ ル , 東 京 , 2018.
8. 稲 垣 明 里 , 木 村 建 次 郎 , 河 野 誠 之 , 谷 野 裕 一 , 三 木 万 由 子 , 高 尾 信 太 郎 , 渡 邊 奈
津 子 , 小 西 豊 , 岡 本 交 二 , 松 本 元 , 山 神 和 彦 , 美 馬 勇 輝 , 土 井 恭 二 , 木 村 憲 明 , 第 65
回 応 用 物 理 学 会 春 季 学 術 講 演 会 , 早 稲 田 大 学 西 早 稲 田 キ ャ ン パ ス , pp. 11-224,
2018.
9. 木 村 建 次 郎 , 稲 垣 明 里 , 河 野 誠 之 , 木 村 憲 明 , 三 木 万 由 子 , 広 利 浩 一 , 橋 本 知 久 ,
佐 久 間 淑 子 , 高 尾 信 太 郎 , 第 25 回 日 本 乳 癌 学 会 学 術 総 会 , 福 岡 , 2017.
10. 高 尾 信 太 郎 , 曽 山 み さ を , 松 尾 容 子 , 三 木 万 由 子 , 田 根 香 織 , 広 利 浩 一 , 木 村 建
次 郎 , 佐 久 間 俶 子 , 橋 本 知 久 , 木 村 憲 明 , 第 25 回 日 本 乳 癌 学 会 学 術 総 会 , マ リ ン
メ ッ セ 福 岡 ・ 福 岡 国 際 会 議 場 , 2017.
11. 高 尾 信 太 郎 , 木 村 建 次 郎 , 三 木 万 由 子 , 広 利 浩 一 , 橋 本 知 久 , 佐 久 間 淑 子 , 木 村
憲 明 , 第 23 回 日 本 乳 癌 学 会 学 術 総 会 , 東 京 国 際 フ ォ ー ラ ム , 2015.
12. 高 尾 信 太 郎 , 松 尾 容 子 , 三 木 万 由 子 , 田 根 香 織 , 広 利 浩 一 , 木 村 建 次 郎 , 田 村 沙綾
佐 久 間 淑 子 , 橋 本 知 久 , 田 中 優 子 , 河 野 誠 之 , 山 下 祐 司 , 木 村 憲 明 , 第 24 回 日 本 乳
癌 学 会 学 術 総 会 , 東 京 ビ ッ グ サ イ ト ,2016.
13. 木 村 建 次 郎 , 木 村 憲 明 , 広 利 浩 一 , 橋 本 知 久 , 佐 久 間 淑 子 , 三 木 万 由 子 , 高 尾 信
太 郎 , 第 ２ ５ 回 日 本 乳 癌 検 診 学 会 学 術 総 会 , つ く ば 国 際 会 議 場 , 2015.
14. 木 村 建 次 郎 , 向 殿 麦 , 木 村 憲 明 , 三 木 万 由 子 , 高 尾 信 太 郎 , 第 62 回 応 用 物 理
学 会 春 季 学 術 講 演 会 , 東 海 大 学 , 2015.
15. 河 野 誠 之 , 田 中 優 子 , 山 下 祐 司 , 木 村 建 次 郎 , 木 村 憲 明 , 高 尾 信 太 郎 , 第 25
回 日 本 乳 癌 画 像 研 究 会 ,名 古 屋 国 際 会 議 場 , 2016.
16. 田 中 優 子 , 木 村 建 次 郎 , 田 村 沙 綾 , 山 下 祐 司 , 河 野 誠 之 , 高 尾 信 太 郎 , 三 木 万 由
子 , 木 村 憲 明 , 第 24 回 日 本 乳 癌 学 会 学 術 総 会 , 東 京 ビ ッ グ サ イ ト , 2016.

54４．論文・著書・特許出願リスト[著書]
１． “散乱場逆問題の解析解発見とマイクロ波マンモグラフィの実現”
Analytical solution of scattering inverse problem and realization of
microwave mammography,
著者名：木村建次郎, 前澤眞之, 稲垣明里, 木村憲明
巻，ページ：『Medical Science Digest』, pp.52-54,
発行所，発行年：（株）ニューサイエンス社

2019 年 6 月 20 日

２． “Multi-static Inverse Scattering Theory for Cones: Towards practicalapplications for microwave mammography”,
著者名：Kenjiro Kimura, Noriaki Kimura.

巻，ページ：第 64 巻 第 3 号，pp.87-91,
発行所，発行年：システム情報学会, 一般社団法人システム制御情報学会，2020 年 3
月 15 日[特許]
1. 発明の名称：散乱トモグラフィ装置及び散乱トモグラフィ方法,
出願人：IGS
発明者：木村建次郎、木村憲明
出願日 ：2019 年 9 月 17 日
出願番号：特願 2019-168675
2.

発明の名称：散乱トモグラフィ装置及び散乱トモグラフィ方法
出願人：IGS
発明者：木村建次郎、木村憲明
出願日 ：2019 年 8 月 1 日
出願番号：特願 2019-142379

55

別紙１
様式（年次報告書）
令和

２年

５月

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 マルチスケール計算生物学研究プロジェクト
部局・専攻・氏名 科学技術イノベーション研究科・近藤昭彦

研究代表者

外 部 資 金

科学研究費補助金

獲 得 実 績奨学寄附金

特許出願件数

0 件，

11,840 千円，

受託研究経費174,717 千円

0 千円，

共同研究経費923 千円

論文発表件数

6 件，

著書数

0件

２．構成員とその役割分担
氏

名

部局・専攻

役

割

天能 精一郎科学技術イノベーション研究科

研究統括

石井

純

科学技術イノベーション研究科

検証統括

荒木 通啓

科学技術イノベーション研究科

解析統括

蓮沼 誠久

科学技術イノベーション研究科

分析統括

内田 和久

科学技術イノベーション研究科

製造プロセス

李 仁義

科学技術イノベーション研究科

製造プロセスChristopher

科学技術イノベーション研究科

データ解析

望月 正雄

科学技術イノベーション研究科

データ解析

竹中 武藏

科学技術イノベーション研究科

データ解析

Vavricka

56

分

担

８日

３．研究成果の概要等について＊継続用紙添付可，研 究 者 や 研 究 テ ー マ ご と な ど ， ３ページ以内に簡 潔 に ま と め て下さい。
連携機関：京都大学、理化学研究所、九州大学、石川県立大学、新潟薬科大学、グリコ、
三菱ケミカル、島津製作所、RITE、産業技術総合研究所、日立製作所○ 原子・分子スケール解析：NEDO プロジェクト
NEDO プロジェクト・スマートセル開発では、新 規 情 報 解 析 技 術 を 開 発 す る こ と により、微生物が持つ物質生産能力を人工的に最大限引き出した細胞を短期間で構 築 し 、従 来 法 の 生 産 性 の 凌 駕 、ま た は 生 産 が 難 し い 有 用 物 質 の 創 製 を 目 指 す 。
そのために必要となる基盤技術を開発するとともに、特定の生産物質における実用化技術を開発することを目的としている。
本年度は、代謝経路の計算技術と分子配置を考慮した酵素設計技術の開発を
進 め 、 NEDO 参 画 プ ロ ジ ェ ク ト 機 関 と の 連 携 を 通 じ て 、 予 測 と 検 証 に よ る フ ィードバックを実施した。具体的には、アルカロイド生合成経路を対象として、独自のバイオインフォマティクス技術によって新規代謝経路を予測、その代謝経路に最適な酵素配列を選抜・設計、そして検証を実施したところ、目的とする生産物質についての生産性が向上して、一連のアプローチの有効性を確認できた。さらに、酵素配列によって、アルデヒド合成反応と脱炭酸反応のスイッ
チングが可能になることを見出した。
さらに、代謝経路の拡張を目指し、酵素反応データを利用して、基質・生成物の化学構造と酵素配列の機械学習を実施した。化合物と酵素の間の反応を予測できるモデルを構築し、評価を行った。また高い精度で予測可能にするため
各予測モデルにおける予測結果の精度比較と予測に重要な因子の探索を行った。さらに複数の機械学習でモデルを構築・評価を行った。
○ 分子・細胞スケール解析：NEDO プロジェクト
微生物の生産能力を最大限引き出す上では、微生物の代謝産物を網羅的に計測して、シミュレーションへ活用していくことが求められる。そこで、代謝産物 細 胞 内 濃 度 の デ ー タ を 取 得 可 能 な 技 術 基 盤 の 開 発 を 行 い 、 NEDO 参 画 プ ロ ジ
ェクト機関との連携を通じて、微生物育種への活用を実施した。その課題としては、代謝産物の抽出におけるハンドリング誤差や、データ処理に膨大な時間を要していたことが上げられる。そこで、ロボティクスを活用した再現性の高い手法の確立、さらにプロセス毎の動きの検証と改善を通じて、高精度にデー
タ取得を可能とする技術を開発した。次に、分析装置から得られるデータは、
サンプル数に化合物種を乗算した膨大な規模になることから、濃度を算出するまでのプロセスが非常に煩雑であった。そこで、分析装置から出力されるグラ
フ デ ー タ を 迅 速 に 処 理 し て 、容 易 に 検 証 可 能 な シ ス テ ム を 開 発 し た 。結 果 的 に 、57

従 来 は 数 か 月 を 要 し て い た 作 業 を 最 短 2 週 間 ま で 短 縮 し て 、 NEDO 参 画 プ ロ ジ
ェクト機関へのフィードバックと検証・改善のサイクルを早めることを達成した。
さらに、代謝物には超高極性・高極性な化合物から、低極性な化合物まで幅広く存在することから、それぞれの物性に応じた最適な分離システムを用いて質量分析にかけることが求められる。そこで、標的とする化合物の物性情報の自動取得を可能にするシステムと、物性に応じた 3 種類の分析システムを開発
し て 、 約 180 の 代 謝 産 物 の 定 量 を 通 じ て 、 シ ス テ ム の 実 証 を 実 施 し た 。
○ 分子・細胞スケール解析：NEDO プロジェクト
NEDO プロジェクト・スマートセル開発において、ゲノムスケールモデル(GSM)を用いた
FBA(Flux balance analysis)や微分方程式モデルなどのシミュレーションによる代謝改変方策の探索が実施されており、その有効性が示唆されている。また、培養工学の分野においても微分方程式モデルや dFBA(dynamic flux balance analysis)などを用いた培養条件の最適化などがシミュレーションにより実施されており、その有効性が示唆されている。このため、有用物質生産の改善方策を探索する方法として、実際に実験的に得られた培養のタイムコースデータの一部を利用した疑似的な dFBA による手法を想定しその有効性を検証することを目的とした。
ケーススタディとして物質生産の宿主はデータが豊富な大腸菌 E. coli を使用した。
またシミュレーションに使用する代謝モデルは GSM iJO1366 を使用した。物質生産のターゲットは、微生物代謝でよくみられる生成物である酢酸、乳酸、コハク酸などを想定した。シミュレーションには主に文献から取得した基質と菌体濃度のタイムコースデー
タを補間やスムージングにより変換した基質と菌体増殖の比速度を使用した。シミュレ
ーションは、基質と菌体増殖の比速度にある程度の幅を持たせた値を入力値とし、FBA を
逐次繰り返す疑似的な dFBA により実施した。
基質と菌体増殖の比速度を用いた疑似的な dFBA の結果、実際に培養により得られたターゲット生産の結果とシミュレーションにより得られた結果とではいずれのターゲットについてもある程度の乖離が見られた。そのため、実験値とシミュレーション値との比
較により、培養条件または輸送系をどのように改変すればターゲットの生産が改善するかという方策の手掛かりが得られることが示唆された。今後は E.coli での様々な有用物
質生産への適用や別の宿主での有用物質生産にこの手法を適用し、その妥当性・汎用性を検証したいと考えている。
○ 分子・細胞スケール解析：NEDO プロジェクト
スマートセル開発に特化した知識ベースを構築することを目的に、文献データ・
公開データ等からの情報抽出および知識ベース構築を行う AI 基盤技術の開発と、ス
マートセル開発の一連のプロセスに応じたデータ処理・学習技術の開発を行う。これにより、オミクス測定データや代謝モデルの解釈の迅速化、代謝経路設計・酵素
反応選択の意思決定支援、更には遺伝子・代謝物に関する新たな知識発見と獲得を目指す。また、有効性検証と連動した知識ベース拡充と AI 基盤技術高度化を進め、58

本プロジェクトが対象とする宿主・生産物への適用拡大を狙う。
今年度は、菌株設計に資する遺伝子-表現型関係情報取得技術の開発として、カロ
テノイド、シキミ酸等 4 種類の物質を対象に、オミクス情報を文献から収集した。
また、長鎖 DNA のデザインを対象とした論文データの知識ベース化有効性検証として、長鎖 DNA を合成するために必要な、機能性配列を公開データから収集する知識抽出ワークフローの設計を完了した。フローを自動化し、研究者に設計情報として提示するプロトタイプを開発した。同プロトタイプによる人工機能性配列候補の抽出・提示を確認した。

59

４．論文・著書・特許出願リスト[論文]
論文名：Application of Graphs Theory to Evaluate the Chemical Reactions in Living Cells.
著者名：Aburatani, S., Kokabu, Y., Teshima, R., Ogawa, T., Araki, M., Shirai, T.
掲載誌，巻，ページ： IC-MSQUARE 2019, 2019
論文名：Reconstruction of metabolic pathway for isobutanol production in Escherichia coli.
著者名：Noda, S., Mori, Y., Oyama, S. Kondo, A., Araki, M., Shirai, T.
掲載誌，巻，ページ：Microbial Cell Factories, 18, 124, 2019
論文名：Production of 1,2,4-butanetriol from xylose by Saccharomyces cerevisiae through Fe
metabolic engineering
著者名：Bamba, T., Yukawa, T., Guirimand, G., Inokuma, K., Sasaki, K., Hasunuma, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Metabolic Engineering, 56, 17-27, 2019
論文名：Mechanism-based tuning of insect 3,4-dihydroxyphenylacetaldehyde synthase forsynthetic bioproduction of benzylisoquinoline alkaloids
著者名：Vavricka, C. J., Yoshida, T., Kuriya, Y., Takahashi, S., Ogawa, T., Ono, F., Agari, K.,
Kiyota, H., Li, J., Ishii, J., Tsuge, K., Minami, H., Araki, M., Hasunuma, T., Kondo,
A.
掲載誌，巻，ページ： Nature Communications, 10, 2015, 2019
論 文 名 ： Exploration and Evaluation of Machine Learning-Based Models for Predicting
Enzymatic Reactions
著者名： Watanabe, N., Murata, M., Ogawa, T., Vavricka, C. J., Kondo, A., Ogino, C., Araki, M.
掲載誌，巻，ページ： Journal of Chemical Information and Modeling, 60(3), 1833-1843, 2020
論文名：Dynamic metabolomics for engineering biology: Accelerating learning cycles forbioproduction
著者名： Vavricka, C. J., Hasunuma, T., Kondo, A.
掲載誌，巻，ページ：Trends in Biotechnology, 38(1), 68-82, 2020

60

別紙１
様式（年次報告書）
令和２年５月８日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研究プロジェクトの名称

計算科学・計算機工学研究プロジェクト

部局・専攻・氏名 システム情報学研究科・計算科学・田中成典

研究代表者

外 部 資 金

科学研究費補助金

獲 得 実 績奨学寄附金

特許出願件数

0 件，

16,240 千円，
0 千円，

4,000 千円

受託研究経費0 千円

共同研究経費

論文発表件数 14 件，

著書数 0 件

２．構成員とその役割分担
氏

名

部局・専攻

役

割

分

担

田中成典

システム情報学研究科
計算科学専攻全体のとりまとめ、計算生物学

臼井英之

システム情報学研究科
計算科学専攻計算宇宙科学坪倉誠

システム情報学研究科
計算科学専攻計算流体力学三宅洋平

システム情報学研究科
計算科学専攻計算宇宙科学小林照義

経済学研究科

計算経済学

中野愛一郎

南カリフォルニア大学

計算物質科学61

３．研究成果の概要等について[計 算 宇 宙 科 学 ]イオンビーム環境に関する計算機実験

研 究 目 的 ： 本 研 究 の 目 的 は 、 Arc Ion Plating (AIP) 法 を 用 い た イ オ ン 成 膜 装
置内部のビーム挙動を理解するために、従来のプラズマ粒子シミュレーション(Particle-in-cell)手 法 を 改 良 し て 低 い 計 算 コ ス ト で 動 作 す る 新 し い 粒 子 シ ミ
ュレータを開発し、その動作確認を行うことである。この手法の特性を把握す
る と と も に 、３ 次 元 印 加 磁 場 モ デ ル AIP ビ ー ム シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 評 価 も 行 う 。
計 算 手 法 ： イ オ ン 成 膜 装 置 に は 外 部 か ら 磁 場 が 印 加 さ れ て お り 、 AIP ビ ー ム 電
子は磁場の束縛を受ける一方、イオンは装置内の電界の影響を受ける。これを利用し、まずモデル空間に配置された磁場中の電子運動のみをテスト粒子シミ
ュレーションとして解き定常空間分布を取得する。次に得られた電子空間分布を 背 景 と し て 、イ オ ン ビ ー ム 挙 動 お よ び 電
位 空 間 分 布 を 従 来 の Particle-in-cell 法 に
よ り 解 き 進 め 、イ オ ン と 電 位 分 布 も 定 常 解を 取 得 す る 手 法 を 開 発 し た 。こ れ を 分 離 法と呼ぶ。
研究成果：図 1 に AIP イオン成膜装置内部の概念図を示す。従来の Full PIC 手法では電子スケールの物理も同時に解くため非常に細かいシミ

図 1： AIP イオン成膜装置内部概念図(Substrate にイオン成膜)ュレーション時間ステップが必要となる。結果として膨大な計算時間が必要となり、AIP イオンビーム解析の時間スケールまで追えな
いが、開発した分離法によりイオンスケールでのシミュレーションが可能となり大幅に計算時間を短縮することができた。図 2 に、比較的単純な直線的放射型の磁場形状のモデルを用いた分離法シミュレーションの結果の一部を示す。電子およびイオン注入は x=0の面の中心から直径 100mm の円領域から磁場に沿って行った。(a)に示すように、左面のビーム入射口から伸びる磁力線はほぼ全てが右面の成膜面に繋がっている。電子空間分
布を(b)に示すが、電子は放出口から伸びる磁力線に捕捉され成膜地点まで輸送されている。x=0 の注入口から３種類(Al+, Ti+, Ti2+)のイオンを放出するが、Al+の密度分布を(c)に示す。イオンのジャイロ半径は電子に比べて非常に大きいため、本シミュレーション
領域の範囲では非磁化と見なされるが、磁力線に束縛された電子の空間分布から決まる
電位構造によりイオンも静電的な影響を受け、結果として(c)に示すようにイオン分布も電子分布と似たようなプロファイルになる。このように装置内磁場形状により、電子分
布を通してイオンビームを制御することができることが本シミュレーションから示すことができた。

62

(a) 直線的放射型磁場モデル (SC 磁場モデル)(b) 電子密度分布(c) イオン（Al+）密度分布

図２：SC 磁場モデルを用いた３次元分離型粒子シミュレーション結果

63

[計 算 生 物 学 ]昨年度より引き続き、「FMO 創薬コンソーシアム」の主要メンバーとして、産官学連携
で、京などの HPCI インフラを活用し、フラグメント分子軌道（FMO）法による創薬シミュレーションを行い、インシリコ創薬の研究開発と基盤技術プラットフォームの構築を進めた。例として、・FMO 法にポアソン・ボルツマン近似法を組み合わせて溶媒効果を考慮する手法を開発し、タンパク質や核酸分子のエネルギー解析に適用した。
（国立医薬品食品衛生研究所、理化学研究所との共同研究）
・FMO 法によってタンパク質などの生体高分子の量子化学計算を行うプロトコルを自動化し、またリガンド分子との相互作用解析の結果を蓄積・公開するデータベースを作成した。（理化学研究所、星薬科大学との共同研究）
また、以下のような研究も行った。
・原始地球における生命の起源物質生成の機構を探るために、隕石衝突による衝撃波誘起の炭素化合物生成の第一原理シミュレーションを行い、様々な反応メカニズム・反応
経路について議論した。
（熊本大学、南カリフォルニア大学との共同研究）
・多大な計算コストを要する第一原理分子動力学シミュレーションの結果を古典シミュ
レーションで正確に近似・再現するために、機械学習を用いた原子間ポテンシャルの構築を試み、その精度を検証した。（熊本大学、南カリフォルニア大学との共同研究）
・科研費新学術領域「分子夾雑の生命化学」のメンバーとして、アミロイド凝集への ATP
添加効果の解析や、水を介したナノスケールでの量子熱伝導を解析するための理論モデ
ルの構築、脳機能への量子効果の関与の可能性の探求などを行った。
・水中の非標準核酸四重鎖構造の安定性がポリエチレングリコールなどの添加剤の影響で変化する分子メカニズム（分子夾雑効果）について分子動力学シミュレーションにより解析し議論した。（甲南大学、スロベニア国立化学研究所との共同研究）

64４．論文・著書・特許出願リスト＊当該年度において学術誌などに発表した論文・著書等の著者，発表論文名，掲載誌，巻号，ページ，年の各項目及び特許出願について記載して下さい。（受理証明があるものも
記載可）

[論文]
論文名：Numerical Study of Plasma Depletion Region in a Satellite Wake
著者名：H. Usui, Y. Miyake, W. J. Miloch, and K. Ito
掲載誌，巻，ページ：IEEE transactions on Plasma Science, Vol. 47, Issue 8, 3717-3723, Aug.
2019, DOI: 10.1109/TPS.2019.2918789
論文名：The Particle-In- Cell simulation on LEO spacecraft charging and the wake structure using
EMSES
著者名：N. Ahmad, H. Usui, Y. Miyake
掲載誌，巻，ページ：Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering. 6. 21-31,
March, 2019, https;//doi.org/10.15748/jasse.6.21
論文名：Numerical simulations of a dust grain in a flowing magnetized plasma
著者名：D. Darian, W. J. Miloch, M. Mortensen, Y. Miyake, and H. Usui
掲 載 誌 ， 巻 ， ペ ー ジ ： Physics of Plasmas, Volume 26, issue 4, 043701 (2019);
https://doi.org/10.1063/1.5089631
論文名：Effects of booms of sounding rockets in flowing plasmas
著者名：J. J. P. Paulsson, Y. Miyake, W. J. Miloch, and H. Usui
掲載誌，巻，ページ：Physics of Plasmas 26, 032902 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5051414.
論文名：Fragment Molecular Orbital Calculations with Implicit Solvent Based on the
Poisson–Boltzmann Equation: II. Protein and Its Ligand-Binding System Studies
著者名：Y. Okiyama, C. Watanabe, K. Fukuzawa, Y. Mochizuki, T. Nakano, and S. Tanak
掲載誌，巻，ページ：J. Phys. Chem. B 123 (2019) 957-973
論文名：Development of an Automated Fragment Molecular Orbital (FMO) Calculatio
Protocol toward Construction of Quantum Mechanical Calculation Database for Larg
Biomolecules
著者名：C. Watanabe, H. Watanabe, Y. Okiyama, D. Takaya, K. Fukuzawa, S. Tanaka,
and T. Honma
掲載誌，巻，ページ：Chem-Bio Informatics J. 19 (2019) 5-1865

論文名：Ab Initio Molecular Dynamics Study of Prebiotic Production Processes ofOrganic Compounds at Meteorite Impacts on Ocean
著者名：K. Shimamura, F. Shimojo, A. Nakano, and S. Tanaka
掲載誌，巻，ページ：J. Comput. Chem. 40 (2019) 349-359
論文名：Guidelines for Creating Artificial Neural Network Empirical Interatomic
Potential from First-Principles Molecular Dynamics Data under Specific Conditions
and Its Application to α-Ag2Se
著者名：K. Shimamura, S. Fukushima, A. Koura, F. Shimojo, M. Misawa, R.K. Kalia, A.
Nakano, P. Vashishta, T. Matsubara, and S. Tanaka
掲載誌，巻，ページ：J. Chem. Phys. 151 (2019) 124303 (10 pages)
論文名：ATP Converts Aβ42 Oligomer into Off-Pathway Species by Making Contact
with Its Backbone Atoms Using Hydrophobic Adenosine
著者名：I. Kurisaki and S. Tanaka
掲載誌，巻，ページ：J. Phys. Chem. B 123 (2019) 9922-9933
論 文 名 ： Non-Equilibrium Quantum Brain Dynamics: Super-Radiance andEquilibration in 2+1 Dimensions
著者名：A. Nishiyama, S. Tanaka, and J.A. Tuszynski
掲載誌，巻，ページ：Entropy 21 (2019) 1066 (26 pages)
論文名：Non-Equilibrium Quantum Electrodynamics in Open Systems as a Realizable
Representation of Quantum Field Theory of the Brain
著者名：A. Nishiyama, S. Tanaka, and J.A. Tuszynski
掲載誌，巻，ページ：Entropy 22 (2020) 43 (32 pages)
論文名：Strongly Coupled Electron Liquid: Ab Initio Path Integral Monte Carlo
Simulations and Dielectric Theories
著者名：T. Dornheim, T. Sjostrom, S. Tanaka, and J. Vorberger
掲載誌，巻，ページ：Phys. Rev. B 101 (2020) 045129 (18 pages)
論文名：New Modified Deoxythymine with Dibranched Tetraethylene Glycol Stabilizes
G-quadruplex Structures
著者名：H. Tateishi-Karimata, T. Ohyama, T. Muraoka, S. Tanaka, K. Kinbara, and N.
Sugimoto
掲載誌，巻，ページ：Molecules 25 (2020) 705 (11 pages)

66

論 文 名 ： Nanoscale Quantum Thermal Conductance at Water Interface: Green’s
Function Approach Based on One-Dimensional Phonon Model
著者名：T. Umegaki and S. Tanaka
掲載誌，巻，ページ：Molecules 25 (2020) 1185 (18 pages)

67

別紙１
様式（年次報告書）
令和２年

５月

８日

２０１９年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研究プロジェクトの名称

神経回路網シミュレーションモデル研究プロジェクト

部局・専攻・氏名 工学研究科・電気電子工学専攻・大森敏明

研究代表者

外 部 資 金

科学研究費補助金

獲 得 実 績奨学寄附金

特許出願件数件，

１７，４００千円，

受託研究経費２，６００千円

千円，

共同研究経費千円

論文発表件数 5 件，

著書数

部局・専攻

役

件

２．構成員とその役割分担
氏
大森

名

敏明

工学研究科・電気電子工学専攻・ 研究代表者
准教授

横川

三津夫

先端融合研究環・教授

研究分担者

和氣

弘明

医学研究科・医科学専攻・教授

研究参画者

森田

光洋

理学研究科・生物学専攻・准教授 研究参画者

橘吉寿

医学研究科・医科学専攻・准教授 研究参画者

Amitava Majumdar 米国・カリフォルニア大学サンデ 研究参画者
ィエゴ校・サンディエゴスーパーコンピュータセンター・部長
Subhashini

米国・カリフォルニア大学サンデ 研究参画者

Siyagnanam

ィエゴ校・サンディエゴスーパーコンピュータセンター・スタッフ

68

割

分

担

３．研究成果の概要等について【研究の背景および目的】
本プロジェクトでは，神経回路網の動きを神経生理学に基づいてモデル化した数理モデルによるシミュレーションを通して，脳型情報処理システムの解明
及び工学分野への適用可能性について追求することを目的としている．このため ，米 国・カ リ フ ォ ル ニ ア 大 学 サ ン デ ィ エ ゴ 校 (UCSD)・サ ン デ ィ エ ゴ・ス ー パ
ー コ ン ピ ュ ー タ セ ン タ ー（ SDSC）と の 連 携 に よ り ，イ ェ ー ル 大 学 と デ ュ ー ク 大
学 で 開 発 が 進 め ら れ て い る 神 経 回 路 網 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 環 境 NEURON を 構 築
し ， NEURON 環 境 の 実 問 題 へ の 適 用 可 能 性 に つ い て 評 価 す る ． ま た ， こ の シ
ステムに適合した数理モデルを構築し，脳型情報処理システムの機能と神経回路網の空間構造との間の連関を解明するとともに，医工学分野への適用可能性
や，イメージングデータとして計測される神経活動データからの数理モデル抽出を実現するデータ駆動型のアプローチを探求することを目標として，平成３
１年度（令和元年度）は，下記に示す 3 つのテーマに関する研究を行った．
なお，本研究プロジェクトに関連して，科学研究費補助金・国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）に採択され，国際共同研究を推進している．これ
ま で 本 プ ロ ジ ェ ク ト に 関 連 し て 実 施 し て き た CREST（ バ イ オ オ プ ト 領 域 ）に 加
え て ， 本 年 度 よ り ， CREST（ 数 理 的 情 報 活 用 基 盤 領 域 ） に 採 択 さ れ て い る ．
【研究成果の概要】
１．データ駆動型アプローチに基づく非線形ダイナミクスの推定アルゴリズ
ム・神経ダイナミクス制御理論の構築，ならびに，他分野への応用
近年の計測技術の発展により，脳神経システムの時空間データの計測が実現されつつある．しかしながら，計測データに基づいて，神経システムの数理モ
デ ル を 構 築 す る た め の 方 法 論 は 確 立 し て い な い ．NEURON 環 境 で は ，個 々 の 神
経細胞の形態構造（神経細胞の空間構造）は比較的精緻に数理モデル化されているものの，神経システムのダイナミクスを支配する非線形型の電気特性や神経細胞間の結合パターンは，未知の場合が多く，
データ駆動でこれらの特性を推定する方法を構築する必要がある．
こ の よ う な 背 景 の も と ， 本 年 度 は ， NEURON
環境で実装される神経ネットワーク構造を実験
データから推定するためのデータ駆動型アルゴ
リズムの構築を行った．雑音が重畳された限定的なデータからのネットワーク構造推定を実現するために，神経回路構造が有する特徴である

図：神経回路ネットワーク

スパース性を事前確率として導入し，さらに，のスパースモデリング

Dale の 法 則 と 呼 ば れ る 神 経 ネ ッ ト ワ ー ク が 有 す る 生 物 学 的 特 徴 （ 特 定 の 神 経 細胞から放出される伝達物質は興奮性か抑制性のいずれか一方のみ）も事前確率に導入することで，精緻なネットワーク構造推定を実現するアルゴリズムを構69

築することに成功した．逐次モンテカルロ法とスパースモデリングを融合した
統計的アルゴリズムにより，真のネットワーク構造と多次元潜在状態の同時推定を実現した．
さらに，本研究プロジェクトで開発してきたスパースモデリングに基づくデータ駆動型 解 析 技 術 (Otsuka

andOmori,

NeuralNetworks, 2019)を 応 用 し ， 神 戸 大 学 先 端 融 合研究環・極みプロジェクトと共同で，神経回路活動から感覚情報を抽出するためのアル
ゴリズムの構築を行った．本年度は，感覚情図：神経細胞ダイナミクスの制御アルゴリズム

報の復号に重要な神経細胞群の抽出を実現するとともに，神経活動からの感覚
情報の復号精度向上を実現した．
近年の光計測と光操作の進展により，神経応答を踏まえた神経制御技術の確立が求められている．本年度は，観測データに基づいた神経ダイナミクスの推定と動的制御を同時にオンラインにて実現するアルゴリズムの開発も行った．
以上の神経科学のデータ駆動型研究に関する研究成果は，関連研究者の注目を 集 め ，文 部 科 学 省 科 学 技 術 試 験 研 究 委 託 事 業「 数 学 ア ド バ ン ス ト イ ノ ベ ー シ
ョ ン プ ラ ッ ト フ ォ ー ム 」 数 学 -生 物 学 領 域 横 断 ワ ー ク シ ョ ッ プ や ， カ リ フ ォ ル ニ
ア 大 学 サ ン デ ィ エ ゴ 校 (UCSD)・神 経 回 路・行 動 セ ン タ ー な ど で の 依 頼 講 演 を 受
けるとともに，関連学会からの受賞を受けた．
さらに，数理構造の共通性に着目することにより，本研究で行ってきた神経科学に関するデータ駆動研究の地球惑星科学分野への応用を行った．地球惑星
科学や資源工学において重要とされる不均質反応ダイナミクスに注目し，多数の化学反応からデータの背後に存在する化学反応項のみの抽出を実現するために，スパースモデリングを用いた情報抽出技術の構築を行った．得られた成果
は，国際会議などで公表するとともに，名古屋大学環境学研究科などでの依頼
講演を受けた．
NEURON 環 境 に 適 合 し た 数 理 モ デ ル や 不 均 質 反 応 ダ イ ナ ミ ク ス の 時 空 間 モ
デルを計測データから推定する上で重要な本プロジェクトで構築したデータ駆
動的アプローチの研究について，研究代表者は東京大学からの依頼を受け，東京大学高次元データ駆動科学教育プログラムにおける全７回の集中講義を行い，他大学の研究者や学生に対して，本研究プロジェクトで得られた研究成果の 紹 介 を 行 っ た ．さ ら に ，神 戸 大 学 工 学 部 オ ー プ ン キ ャ ン パ ス 模 擬 講 義 で も ，「人
工 知 能 が 拓 く 情 報 処 理 技 術 ～ 脳 型 AI の 新 展 開 ～ 」 と 題 し た 講 義 を 行 う こ と で ，本研究プロジェクトのアウトリーチ活動を行った．
２．多次元時系列データからの嗅覚情報の情報抽出・情報認識技術の研究
昨年度までに行ってきたアリ嗅覚情報処理の数理モデリングを進展させるとともに，嗅覚情報の認識アルゴリズムの工学研究を推進した．複数の匂いセン
サから得られる多次元時系列データから匂いの快適度を推定するための機械学
習アルゴリズムの構築を行った．スパースモデリングに基づいて，匂いの快適70

度の推定に重要なセンサ情報のみの抽出を実現するとともに，学習で用いていな い 未 知 デ ー タ に 対 し て も 快 適 度 の 推 定 を 精 緻 に 行 う 方 法 を 考 案 し た ．さ ら に ，NEURON 環 境 に 適 合 す る 神 経 ケ ー ブ ル 理 論 に 基 づ く 匂 い 情 報 認 識 モ デ ル の 数
理 モ デ ル の 理 論 研 究 も 進 め ， 得 ら れ た 成 果 を IEEE な ど の 国 際 会 議 で 発 表 す るとともに，京都大学数理解析研究所などから依頼講演を受けた．
３．多次元時系列データからの潜在情報抽出に関する理論研究
近年の計測技術の発展により，我々の手にする科学技術データが大規模かつ高次元化しつつある．神経科学データにおいても多数の神経細胞からの同時計測が実現されており，多次元時系列データから潜在情報を抽出するための確立が望まれている．
本年度は，多次元時系列データとして注
目 を 集 め て い る

SlowFeature

図：確率的 Slow Feature Analysis

Analysis(SFA) に 関 す る 理 論 研 究 を 推
進 し た ．SFA は 海 馬 に お け る 場 所 細 胞 ，グリッド細胞が示す空間認識機能の理論神経科学の数理モデルとして提案されており，センサデータに基づく行動
認識のアルゴリズムとしても注目を集
め て い る ．従 来 の SFA で は ，定 常 性 を 有 す

図：スイッチング SFA

る動的システムを仮定して多次元データに潜む緩やかな変動成分と急峻に変化する成分の分離を実現している．しかしながら，行動認識で重要となる変化点検出を実現する上で，非定常性を有する場合のアルゴリ
ズムの構築が重要である．
本研究では，スイッチング状態空間モデ

図：潜在ダイナミクス間の遷移抽出

ル に 基 づ く Slow Feature Analysis(ス イ ッ
チ ン グ SFA)を 新 た に 構 築 し た ．各 時 刻 の 観 測 デ ー タ が ど の 状 態 空 間 モ デ ル か ら生成されたかを示すスイッチ変数を導入し，スイッチ変数・潜在変数・各状態
空間モデルのパラメータを同時に推定するアルゴリズムを導出した．多次元時
系列データを用いて，変化点の検出も可能であることを示した．
以上の通り，平成３１年度（令和元年度）は，神経回路網に関する医学・工学 ・ 脳 科 学 の 融 合 研 究 を UCSD と の 国 際 共 同 研 究 と し て 推 進 す る と と も に ， 神
経回路網研究の推進において構築した，神経ダイナミクス抽出のための情報処
理技術を用いて，地球惑星科学分野における計測データからのダイナミクス推定へと応用する研究も行った．

71

４．論文・著書・特許出願リスト＊当該年度において学術誌などに発表した論文・著書等の著者，発表論文名，掲載誌，巻号，ページ，年の各項目及び特許出願について記載して下さい。（受理証明があるものも
記載可）
[論文]
論文名：Online Estimation and Control of Neuronal Nonlinear Dynamics Based on
Data-Driven Statistical Approach
著者名：Shuhei Fukami and Toshiaki Omori
掲載誌：Communications in Computer and Information ScienceVol. 1143, pp. 600-608，2019 年 ※論文名：Sparse Estimation of Neuronal Network Structure with Observed Data
著者名：Ren Masahiro and Toshiaki Omori
掲載誌：Communications in Computer and Information Science,Vol. 1143,
pp. 609-618，2019 年 ※論文名：Sparse Modeling of Nonlinear Dynamics in Heterogeneous Reactions
著者名：Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
掲載誌：Neural Information Processing, pp 380-391, 2019 年
論文名：Sparse Modeling Approach for Estimating Odor Pleasantness
from Multi-dimensional Sensor Data
著者名：Moe Yokoi and Toshiaki Omori
掲載誌：Proceedings of IEEE 2nd Global Conference on Life Sciences
and Technologies, 2020 年
論文名：Switching Probabilistic Slow Feature Analysis for Time Series Data
著者名：Kazuki Tsujimoto and Toshiaki Omori
掲載誌：International Journal of Machine Learning and Computing, 2020 年 ※[参考：国際学会における発表][1]“Extracting Neural Dynamics Based on Computational and Data-driven
Approaches”
Toshiaki Omori
The Center for Neural Circuits and Behavior, University of California San
Diego (2019)[2] “Estimating Nonlinear Neuronal Dynamics Based on Sparse Modeling”,
Toshiaki Omori and Shinya Otsuka,

NEURO2019 (2019)[3]“Structure Estimation of Neural Networks Based on Sparse Modeling”,

72Ren Masahiro and Toshiaki Omori
NEURO2019 (2019)[4] “Online Estimation and Control of Neuronal Nonlinear Dynamics Based on
Data-Driven Statistical Approach”,

Shuhei Fukami and Toshiaki Omori
26th International Conference on Neural Information Processing of the
Asia-Pacific Neural Network Society (2019)[5] “Sparse Estimation of Neuronal Network Structure with Observed Data”,

Ren Masahiro and Toshiaki Omori
26th International Conference on Neural Information Processing of the
Asia-Pacific Neural Network Society (2019)[6] “Sparse Modeling of Nonlinear Dynamics in Heterogeneous Reactions”

Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
26th International Conference on Neural Information Processing of the
Asia-Pacific Neural Network Society (2019)[7] “Data-Driven Approach for Extracting Neuronal Non-linear Dynamics”

Toshiaki Omori
The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain
Computer (2020)[8]“Machine Learning Algorithm for Estimating Odor Pleasantness by Sparse
Modeling Method”,
Moe Yokoi and Toshiaki Omori
The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain
Computer (2020)[9]“Data-driven Approach for Structure Estimation of Neural Networks”,
Ren Masahiro and Toshiaki Omori
The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain
Computer (2020)[10] “Online Statistical Algorithm for Estimation and Control of Neuronal
Dynamics”,

Shuhei Fukami and Toshiaki Omori
The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain
Computer (2020)

73

様式

１
2020 年 5 月 21日

令和元年度研究プロジェクト年次報告書
１．研究プロジェクト概要
研究プロジェクトの名称

計算科学研究センター（R-CCS）共同研究

研究ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ･ﾘｰﾀﾞｰ

先端融合研究環 横川三津夫

部局・専

攻・氏名
当 研 究 員 数

8人（学術研究員，学振特別研究員（DC1, DC2は除く），外国人招へい研

該

究員等）

年 外 部 資 金

科学研究費補助金度 獲 得 実 績

奨学寄附金千円，受託研究経費
千円，その他（千円，千円）

特許出願件数２．構成員とその役割分担
氏

名

部局・専攻

役

割

分

担

研究プロジェクト全体の統括と

横川

三津夫

先端融合研究環坂本尚久

システム情報学研究科・計算科学専攻

宇野

篤也

石原

卓

金田

行雄

小野

謙二

理化学研究所計算科学研究センター

野中丈二

理化学研究所計算科学研究センター

川鍋友宏

理化学研究所計算科学研究セン

高性能アルゴリズムの提案

理化学研究所計算科学研究センター
運用技術部門システム運転技術チーム
岡山大学大学院環境生命科学研
究科・環境科学愛知工業大学基礎教育センター・
計算流体力学ター

1

74

ハードウェア故障の分析と評価
計算結果の可視化データの生成
DNSデータの解析
DNSデータ解析に関する統括ハードウェア故障の分析と評価
ハードウェア故障の分析
ハードウェア故障の分析

３．研究成果の概要等について
理化学研究所計算科学研究センター（旧計算科学研究機構）との共同研究では，
毎 年 ， 研 究 テ ー マ を 決 め て 実 施 し て き た ． 2019年 度 は ， 主 に 大 規 模 DNSコ ー ド の 高性能化に関する研究，連立一次方程式に対するランタイムシステムへの実装，スーパーコンピュータシステムの性能評価に関する研究を実施した．
大 規 模 DNSコ ー ド の 高 性 能 化 に 関 す る 研 究 で は ， 圧 縮 性 乱 流 の 直 接 数 値 シ ミ ュ レーションにおける高精度かつ高解像度な差分近似法としてコンパクト差分法に対し ， そ の 並 列 解 法 で あ る 拡 張 Mattor法 を 改 良 し て 高 速 化 を 行 っ た ． 提 案 手 法 の 精 度を検証し，従来コードとの性能を比較し，評価した．その結果，精度良く計算する
た め に は 少 な く と も プ ロ セ ス あ た り の 格 子 点 数 は 64点 必 要 で あ る こ と が 分 か っ た ．
従 来 コ ー ド と 比 較 し て コ ン パ ク ト 差 分 法 の 計 算 部 分 で は 約 1.5か ら 2.3倍 ， DNSコ ー
ド 全 体 で は 約 1.1倍 の 高 速 化 が 達 成 さ れ た ． 3次 元 高 速 フ ー リ エ 変 換 3D-FFTの 高 速 化に関しては，複数の変数を同時に行うバッチ型の並列化手法を提案し（下図），ス
ー パ ー コ ン ピ ュ ー タ 京 の 上 で 性 能 評 価 を 行 っ た 結 果 ， 2048の 3乗 の 格 子 点 に 対 し ，128並 列 で 45.9％ の 性 能 が 得 ら れ た ．

（ T. Imamura et al., https://doi.org/10.3233/APC200038よ り ）また，偏 微 分 方 程 式 を 離 散 化 し て 得 ら れ る 疎 で 正 定 値 対 称 な 行 列 を 係 数 行 列 と する連立一次方程式に対し，疎行列直接解法でよく使われるマルチフロンタル法に注目し，アルゴリズムを少し修正することによって，ランタイムシステムへの適用を行 っ た ． 数 値 実 験 で は ， ラ ン タ イ ム シ ス テ ム StarPUを 用 い て ， メ ニ ー コ ア プ ロ セ ッ
サ上での並列化を行い，高い並列化効率を得ることができた．
スーパーコンピュータシステムの性能については，富岳への評価方法確立のた
め ， ベ ク ト ル 型 ス ー パ ー コ ン ピ ュ ー タ SX-Aurora TSUBASA モ デ ル A300-4， A300-8を 用 い て ， 通 常 I/O， 及 び 高 速 I/Oに 関 す る 評 価 を 行 っ た ． こ の 結 果 ， 高 速 I/Oを 用 い
た 場 合 ， A300-4で は 4VE（ ベ ク ト ル エ ン ジ ン ） ， 8コ ア 全 て か ら サ イ ズ 1GBの フ ァ
イ ル を 出 力 し た 際 ， 約 30GB/sの 性 能 ， A300-8で は 8VE， 8コ ア 全 て か ら サ イ ズ １ GBの フ ァ イ ル を 出 力 し た 際 ， 約 10GB/sの 性 能 が 得 ら れ ， 両 方 と も ベ ク ト ル ホ ス ト（ VH） と VE間 の PCIe接 続 の ほ ぼ 上 限 値 の 性 能 が 得 ら れ る こ と が 明 ら か と な っ た ．

※原則として，ホームページに公表します．

275

４．論文・著書・特許出願リスト
【論文】

[1]

T. Hasama, T. Saka, Y. Itoh, K. Kondo, M. Yamamoto, T. Tamura, and M.
Yokokawa, Evaluation of aerodynamic instability for building using
fluid–structure interaction analysis combined with multi-degree-offreedom structure model and large-eddy simulation, Journal of Wind
Engineering & Industrial Aerodynamics, Vol. 197, pp. 1-9 (2020),
https://doi.org/10.1016/j.jweia.2019.104052【国際会議，シンポジウム等】[1]

M. Yokokawa, K. Morishita, T. Ishihara, A. Uno, and Y. Kaneda,"Performance of a Two-Path Aliasing Free Calculation of a Spectral DNS
Code,” J. M. F. Rodrigues et al. (Eds.): Computational Science – ICCS
2019, pp. 587–595, Springer (2019). https://doi.org/10.1007/978-3-03022747-0_44[2]

T. Imamura, M. Aoki, and M. Yokokawa, “Batched 3D-Distributed FFT
Kernels Towards Practical DNS Codes,” Parallel Computing: Technology
Trends, I. Foster et al. (Eds.), pp. 169 – 178, IOS Press (2020),
https://doi.org/10.3233/APC200038[3]

N. Okamoto, T. Matsuzaki, M. Yokokawa, and Y. Kaneda, Effect of highorder finite difference discretization of the nonlinear term on
turbulence statistics, 17th ETC European Turbulence Conference,
September 306, Torino, Italy (2019)[4]

M. Yokokawa, Performance of Accelerated and Asynchronous I/O on SXAurora TSUBASA, Workbench on Sustained Simulation Performance (WSSP),
2019-10-10, Stuttgart, Germany (2019)【国内会議】[1]

中井彩乃，横川三津夫，小松一彦，渡辺裕太，磯部洋子，政岡靖久，小林広明，SX-Aurora TSUBASAの入出力性能の評価，Vol. 2019-HPC-172, No. 21, pp.
1-10 (2-019)[2]

後藤啓，横川三津夫，坂敏秀，小松一彦，小林広明，建物・地盤地震動応答シ
ミュレーションのベクトル計算機向け最適化，Vol. 2020-HPC-173, No. 3, pp.
1-8 (2020)

3

76

[3]

中野智輝，横川三津夫，深谷猛，山本有作，ランタイムシステムを用いたマル
チフロンタルコレスキー分解の開発，Vol. 2020-HPC-173, No. 10, pp. 1-14
(2020)[4]

杉浦幸哉，横川三津夫，櫻井幹記，石原卓，圧縮性乱流直接シミュレーション
におけるコンパクト差分法の並列解法の高速化，Vol. 2020-HPC-173, No. 18,
pp. 1-8 (2020)

５．関 連 活 動 及 び 特 記 事 項(注 ) 複 数 の 研 究 プ ロ ジ ェ ク ト に 所 属 さ れ て い る 先 生 で ， 研 究 成 果 の 切 り 分 け が 難 しく，複数のプロジェクトから成果として報告する場合は，その成果のあとに「※」印を付して下さい．
（ １ ） 外 部 資 金 等 (外 部 資 金 名 (種 目 )， 代 表 者 名 ， 研 究 タ イ ト ル ， 当 該 年 度 の 受 入 金 額を記載）○ 外 部 資 金 名： 科学研究費補助金※

研 究 種 目： 基盤研究（B）(17H02828)
代 表 者 名： 山本有作（電気通信大学）
研 究 課 題 名： 強スケーリング性能を指向した計算物理向け超並列行列計算ライブラリの開発
受 入 金 額： 800,000円（ ２ ） 受 賞 （賞名称，受賞対象，受賞者名，授与機関名，受賞年・月）（KUIDにあわせる）
なし（３） 特論の実施内容
なし（４）研究集会の開催（研究プロジェクトの活動と関連の深いものに限る）
なし（ ５ ） そ の 他 ，研 究 プ ロ ジ ェ ク ト の 活 動 と 関 連 の あ る 特 記 事 項なし

477